Трассировщик кривой транзистора: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Я всегда хотел измерить кривую транзистора. Это лучший способ понять, что делает устройство. Создав и применив его, я наконец понял разницу между различными разновидностями полевых транзисторов.

Это полезно для

• согласующие транзисторы
• измерение усиления биполярных транзисторов
• измерение порога полевых МОП-транзисторов
• измерение отсечки полевых транзисторов
• измерение прямого напряжения диодов
• измерение напряжения пробоя стабилитронов
• и так далее.

Я был очень впечатлен, когда купил один из замечательных тестеров LCR-T4 от Маркуса Фрейека и других, но я хотел, чтобы он рассказывал мне больше о компонентах, поэтому я начал разрабатывать свой собственный тестер.

Я начал с того же экрана, что и LCR-T4, но у него недостаточно высокого разрешения, поэтому я сменил ЖК-дисплей на 320x240 2,8 дюйма. Это приятный цветной сенсорный экран. Трассировщик кривых работает на Arduino Pro Mini 5V Atmega328p 16MHz и питается от 4 элементов AA.

Шаг 1: как его использовать

Когда вы включаете измеритель кривой, отображается экран главного меню.

Выберите тип устройства, коснувшись одного из «PNP NPN», «MOSFET» или «JFET». Вы можете проверить диоды в режиме «PNP NPN».

Вставьте тестируемое устройство (DUT) в разъем ZIF. На экране меню показано, какие контакты использовать. PNP, p-канальные МОП-транзисторы и n-канальные JFET-транзисторы находятся в левой части разъема. NPN, n-канальные МОП-транзисторы и p-канальные JFET-транзисторы входят в правую часть разъема. Закройте сокет ZIF.

Примерно через секунду тестер поймет, что у него есть компонент, и начнет рисовать кривые.

Для транзисторов PNP или NPN он отображает Vce (напряжение между коллектором и эмиттером) в зависимости от тока, протекающего в коллектор. Линия рисуется для каждого различного базового тока - например, 0 мкА, 50 мкА, 100 мкА и т. Д. Коэффициент усиления транзистора отображается в верхней части экрана.

Для полевого МОП-транзистора он отображает Vds (напряжение между стоком и истоком) в зависимости от тока, протекающего в сток. Линия проведена для каждого напряжения затвора - 0 В, 1 В, 2 В и т. Д. Порог включения полевого транзистора показан в верхней части экрана.

Для JFET он отображает Vds (напряжение между стоком и истоком) в зависимости от тока, протекающего в сток. Линия проведена для каждого разного напряжения затвора - 0 В, 1 В, 2 В и т. Д. В полевых транзисторах с истощением ток протекает, когда напряжение затвора равно напряжению истока. Когда напряжение затвора изменяется в сторону от напряжения стока, JFET выключается. Порог отсечки полевого транзистора показан в верхней части экрана.

Самая интересная часть кривой MOSFET или JFET - это напряжение включения или выключения плюс или минус несколько сотен мВ. В главном меню коснитесь кнопки «Настройка», откроется экран «Настройка». Вы можете выбрать минимальное и максимальное напряжение затвора: в этой области будет нарисовано больше кривых.

Для транзисторов PNP или NPN экран настройки позволяет выбрать минимальный и максимальный базовый ток.

С диодами вы можете увидеть прямое напряжение, а с стабилитронами - обратное напряжение пробоя. На изображении выше я объединил кривые нескольких диодов.

Шаг 2: как это работает

Рассмотрим транзистор NPN. Мы собираемся построить график зависимости напряжения между коллектором и эмиттером (ось x - Vce) от тока, протекающего в коллектор (ось y - Ic). Мы нарисуем по одной линии для каждого различного базового тока (Ib) - например, 0 мкА, 50 мкА, 100 мкА и т. Д.

Эмиттер NPN подключается к 0 В, а коллектор подключается к «нагрузочному резистору» 100 Ом, а затем к напряжению, которое медленно увеличивается. ЦАП, управляемый Arduino, проверяет напряжение от 0 В до 12 В (или пока ток через нагрузочный резистор не достигнет 50 мА). Arduino измеряет напряжение между коллектором и эмиттером, а также напряжение на нагрузочном резисторе и рисует график.

Это повторяется для каждого базового тока. Базовый ток генерируется вторым ЦАП с диапазоном от 0 до 12 В и резистором 27 кОм. ЦАП выдает 0 В, 1,35 В (50 мкА), 2,7 В (100 мкА), 4,05 В (150 мкА) и т. Д. (На самом деле напряжение должно быть немного выше из-за Vbe - предполагается, что оно составляет 0,7 В.)

Для транзистора PNP эмиттер подключается к 12 В, а коллектор подключается к нагрузочному резистору 100 Ом, а затем к напряжению, которое медленно уменьшается с 12 В до 0 В. Базовый ток ЦАП понижается с 12 В.

Расширенный n-канальный MOSFET похож на NPN. Источник подключен к 0 В, нагрузочный резистор подключен к стоку и к напряжению, изменяющемуся от 0 В до 12 В. ЦАП, который контролировал базовый ток, теперь управляет напряжением затвора и шагами 0 В, 1 В, 2 В и т. Д.

MOSFET с расширением p-канала похож на PNP. Источник подключен к 12 В, нагрузочный резистор подключен к стоку и к напряжению, изменяющемуся от 12 В до 0 В. Шаг напряжения затвора: 12 В, 11 В, 10 В и т. Д.

N-канальный JFET с истощением немного сложнее. Обычно вы представляете, что исток подключен к 0 В, сток подключен к переменному положительному напряжению, а затвор подключен к переменному отрицательному напряжению. JFET обычно проводит и отключается отрицательным напряжением затвора.

Измеритель кривой не может генерировать отрицательные напряжения, поэтому сток n-JFET подключается к 12 В, исток подключается к нагрузочному резистору 100 Ом, а затем к напряжению, которое медленно уменьшается с 12 В до 0 В. Мы хотим, чтобы Vgs (напряжение затвор-исток) изменялось от 0 В, -1 В, -2 В и т. Д. Мы хотим, чтобы Vgs оставался постоянным при изменении Vds (напряжения сток-исток). Таким образом, Arduino устанавливает напряжение на нагрузочном резисторе, а затем регулирует напряжение затвора ЦАП до тех пор, пока Vgs не станет требуемым значением. Затем он устанавливает новое напряжение на нагрузочном резисторе и снова регулирует напряжение затвора и т. Д.

(Измеритель кривой не может измерить напряжение, приложенное к затвору, но он знает, что он сказал ЦАП, и это достаточно точно. Конечно, он измеряет только часть отрицательного затвора отклика JFET; если вы хотите увидеть часть с положительным затвором, рассматривайте ее как полевой МОП-транзистор.)

JFET с истощением p-канала обрабатывается аналогично, но все значения от 0 до 12 В инвертируются.

(Трассировщик кривой не имеет специального отношения к полевым МОП-транзисторам с истощением или полевым транзисторам с улучшенными характеристиками, но вы можете рассматривать их как полевые транзисторы с истощением и расширенные полевые МОП-транзисторы.)

После завершения построения графика измеритель кривой вычисляет усиление, порог или отсечку транзистора.

Для биполярных транзисторов Arduino смотрит на средний интервал горизонтальных линий кривых. Когда он рисует кривую базового тока, он отмечает ток коллектора, когда Vce равно 2V. Изменение тока коллектора делится на изменение тока базы, чтобы получить коэффициент усиления. Прирост биполярности - понятие расплывчатое. Это зависит от того, как вы это измеряете. Никакие две модели мультиметра не дадут одинаковый ответ. Как правило, все, что вы спрашиваете, это "высокий ли выигрыш?" или «эти два транзистора одинаковые?».

Для полевых МОП-транзисторов Arduino измеряет порог включения. Он устанавливает напряжение нагрузки на 6 В, затем постепенно увеличивает Vgs, пока ток через нагрузку не превысит 5 мА.

Для JFET Arduino измеряет напряжение отключения. Он устанавливает напряжение нагрузки на 6 В, затем постепенно увеличивает (отрицательное) Vgs до тех пор, пока ток через нагрузку не станет менее 1 мА.

Шаг 3: Схема

Вот краткое описание схемы. Более полное описание находится в прикрепленном RTF файле.

Для измерителя кривой требуется три напряжения:

• 5 В для Arduino
• 3,3 В для ЖК-дисплея
• 12В для тестовой цепи

Схема должна преобразовать эти разные напряжения от 4 ячеек AA.

Arduino подключен к 2-канальному ЦАП для создания различных тестовых напряжений. (Я пробовал использовать ШИМ Arduino в качестве ЦАП, но он был слишком шумным.)

ЦАП выдает напряжения в диапазоне от 0 до 4,096 В. Они преобразуются операционными усилителями в напряжение от 0 до 12 В. Я не смог найти ни одной шины для сквозных отверстий для операционных усилителей, которые могут потреблять / потреблять 50 мА, поэтому я использовал LM358. Выходной сигнал операционного усилителя LM358 не может быть ниже напряжения питания более чем на 1,5 В (т. Е. На 10,5 В). Но нам нужен полный диапазон 0-12В.

Таким образом, мы используем NPN в качестве инвертора с открытым коллектором для выхода операционного усилителя.

Преимущество этого самодельного операционного усилителя с открытым коллектором в том, что он может работать до 12 В. Резисторы обратной связи вокруг операционного усилителя усиливают 0–4 В с ЦАП до 0–12 В.

Напряжение на тестируемом устройстве (DUT) варьируется от 0 В до 12 В. АЦП Arduino ограничены напряжением от 0 до 5 В. Потенциальные делители делают преобразование.

Между Arduino и ЖК-дисплеем есть делители напряжения, которые понижают напряжение с 5 до 3 В. ЖК-дисплей, сенсорный экран и ЦАП управляются шиной SPI.

Измеритель кривой питается от 4 ячеек AA, которые выдают 6,5 В в новом состоянии и могут использоваться до 5,3 В.

6 В от ячеек снижается до 5 В с помощью регулятора с очень низким падением напряжения - HT7550 (если у вас его нет, стабилитрон 5 В и резистор 22 Ом не намного хуже). Потребляемый ток источника питания 5 В составляет около 26 мА.

6 В от ячеек снижается до 3,3 В с помощью регулятора с малым падением напряжения - HT7533. Потребляемый ток источника питания 3,3 В составляет около 42 мА. (Стандартный 78L33 подойдет, но у него выпадение напряжения 2 В, поэтому вам придется раньше выбросить элементы AA.)

6 В от ячеек повышаются до 12 В с помощью импульсного источника питания (SMPS). Я просто купил модуль на eBay. У меня были настоящие проблемы с поиском достойного конвертера. Суть в том, что не используйте преобразователь XL6009, это абсолютная угроза. Когда батарея разряжается и падает ниже 4 В, XL6009 сходит с ума и выдает до 50 В, что все поджарит. Хороший, который я использовал:

www.ebay.co.uk/itm/Boost-Voltage-Regulator-Converter-Step-up-Power-Supply-DC-3-3V-3-7V-5V-6V-to-12V/272666687043? hash = item3f7c337643% 3Ag% 3AwsMAAOSw7GRZE9um & _sacat = 0 & _nkw = DC + 3.3V + 3.7V + 5V + 6V + to + 12V + Step-up + Power + Supply + Boost + Voltage + Regulator + Converter & _from = R40 & rt = nc & _tr70

Он крошечный и эффективен примерно на 80%. Его входной ток потребления составляет около 5 мА при ожидании вставки тестируемого устройства и кратковременно до 160 мА при построении кривых.

Поскольку элементы AA разряжены, напряжения меняются, программное обеспечение компенсирует их, используя опорные напряжения. Arduino измеряет напряжение питания 12 В. АЦП Arduino использует источник «5 В» в качестве опорного напряжения, но это «5 В» точно откалибровано по внутреннему опорному напряжению 1,1 В. ЦАП имеет точное внутреннее опорное напряжение.

Мне нравится, что у LCR-T4 есть кнопка для включения и автоматического выключения по истечении времени ожидания. К сожалению, в схеме наблюдается падение напряжения, которое я не могу себе позволить при питании от 4-х элементов AA. Даже перепроектирования схемы для использования полевого транзистора было недостаточно. Поэтому я использую простой переключатель включения / выключения.

Шаг 4: Программное обеспечение

Скетч Arduino прилагается здесь. Скомпилируйте и загрузите его в Pro Mini обычным способом. Есть много описаний того, как загружать программы в Интернет и в другие Instructables.

Скетч начинается с рисования главного меню, затем ждет, пока вы вставите компонент или коснетесь одной из кнопок (или отправите команду с ПК). Он проверяет вставку компонентов раз в секунду.

Он знает, что вы вставили компонент, потому что, когда напряжение базы / затвора установлено на половину (DAC = 128), а напряжение нагрузочного резистора установлено на 0 В или 12 В, ток в несколько мА протекает через один или другой нагрузочный резистор. Он знает, когда устройство является диодом, потому что изменение напряжения базы / затвора не изменяет ток нагрузки.

Затем он рисует соответствующие кривые и отключает ток базы и нагрузки. Затем он проверяет один раз в секунду, пока компонент не будет отключен. Он знает, что компонент отключен, потому что ток нагрузки упал до нуля.

ЖК-дисплей ILI9341 управляется моей собственной библиотекой под названием "SimpleILI9341". Библиотека прикреплена сюда. Он имеет стандартный набор команд рисования, очень похожий на все подобные библиотеки. Его преимущества перед другими библиотеками заключаются в том, что он работает (некоторые - нет!) И вежливо разделяет шину SPI с другими устройствами. Некоторые из «быстрых» библиотек, которые вы можете загрузить, используют специальные циклы синхронизации и расстраиваются, когда другие, возможно, более медленные, устройства используются на той же шине. Он написан на простом C и поэтому требует меньших накладных расходов, чем некоторые библиотеки. Прилагается программа для Windows, которая позволяет создавать собственные шрифты и значки.

Шаг 5: Последовательная связь с ПК

Измеритель кривой может связываться с ПК через последовательный канал (9600 бит / с, 8 бит, без контроля четности). Вам понадобится подходящий преобразователь USB-последовательный порт.

Следующие команды могут быть отправлены с ПК на средство отслеживания кривых:

• Команда «N»: обведите кривые NPN-транзистора.
• Команда «P»: обведите кривые транзистора PNP.
• Команда "F": обведите кривые n-MOSFET.
• Команда 'f': обведите кривые p-MOSFET.
• Команда 'J': обведите кривые n-JFET.
• Команда 'j': обведите кривые p-JFET.
• Команда «D»: обведите изгибы диода на стороне NPN гнезда.
• Команда 'd': обведите кривые диода на стороне PNP гнезда.
• Команда 'A' nn: установите DAC-A в значение nn (nn - это один байт), затем верните 'A' на ПК. DAC-A контролирует напряжение нагрузки.
• Команда «B» nn: установите DAC-A на значение nn, затем верните «B» на ПК. DAC-B контролирует напряжение базы / затвора.
• Команда «X»: непрерывно отправлять значения АЦП обратно на ПК.
• Команда «M»: показать главное меню.

Когда кривые построены после одной из команд, результаты кривой передаются обратно на ПК. Формат:

• «n»: начать новый сюжет, нарисовать оси и т. д.

• «m (x), (y), (b)»: переместите перо на (x), (y).

  • (x) - это Vce в целых мВ.
  • (y) представляет собой Ic в целых сотнях на uA (например, 123 означает 12,3 мА).
  • (b) - базовый ток в целом числе uA
  • или (b) в 50 раз больше напряжения затвора в целых мВ
• «l (x), (y), (b)»: проведите линию пером до (x), (y).
• "z": конец этой строки

• «g (g)»: конец сканирования;

  (g) - коэффициент усиления, пороговое напряжение (x10) или напряжение отсечки (x10)

Значения, отправленные на ПК, являются необработанными измеренными значениями. Arduino сглаживает значения перед их усреднением; вы должны сделать то же самое.

Когда ПК отправляет команду «X», значения АЦП возвращаются в виде целых чисел:

• "x (p), (q), (r), (s), (t), (u)"

  • (p) напряжение на нагрузочном резисторе PNP DUT
  • (q) напряжение на коллекторе PNP DUT
  • (r) напряжение на нагрузочном резисторе NPN DUT
  • (s) напряжение на коллекторе NPN DUT
  • (t) напряжение питания «12В»
  • (u) напряжение источника "5V" в мВ

Вы можете написать программу для ПК для тестирования других устройств. Настройте ЦАП на тестирование напряжений (с помощью команд «А» и «В»), затем посмотрите, что сообщают АЦП.

Измеритель кривой отправляет данные на ПК только после того, как он получил команду, поскольку отправка данных замедляет сканирование. Он также больше не проверяет наличие / отсутствие компонента. Единственный способ выключить измеритель кривой - это послать команду «O» (или удалить батарею).

Прилагается программа для Windows, которая демонстрирует отправку команд в средство отслеживания кривых.

Шаг 6: построение Curve Tracer

Вот основные компоненты, которые вам, вероятно, придется купить:

• Arduino Pro Mini 5V 16MHz Atmel328p (1,30 фунта стерлингов)
• 14-контактный разъем Zif (£ 1)
• MCP4802 (2,50 фунта стерлингов)
• HT7533 (£ 1)
• LE33CZ (1 фунт стерлингов)
• IL9341 2,8-дюймовый дисплей (6 фунтов стерлингов)
• Повышающий источник питания с 5 В до 12 В (£ 1)
• Держатель батарейки 4xAA (£ 0,30)

Ищите на eBay или у вашего любимого поставщика. Это в общей сложности около 14 фунтов стерлингов.

Вот мой дисплей:

www.ebay.co.uk/itm/2-8-TFT-LCD-Display-Touch-Panel-SPI-Serial-ILI9341-5V-3-3V-STM32/202004189628?hash=item2f086351bc:g: 5ЦААОСwp1RZfIO5

И импульсный импульсный вот здесь:

www.ebay.co.uk/itm/DC-3-3V-3-7V-5V-6V-to-12V-Step-up-Power-Supply-Boost-Voltage-Regulator-Converter/192271588572? hash = item2cc4479cdc% 3Ag% 3AJsUAAOSw8IJZinGw & _sacat = 0 & _nkw = DC-3-3V-3-7V-5V-6V-to-12V-Step-up-Power-Supply-Boost-Voltage-Regulator-Converter & _from = R40 & rtr70 l1313

Остальные компоненты - это то, что у вас, вероятно, уже есть:

• BC639 (3 шт.)
• 100 нФ (7 шт.)
• 10 мкФ (2 шт.)
• 1к (2 шт.)
• 2k2 (5 шт.)
• 3k3 (5 шт.)
• 4k7 (1 шт.)
• 10k (7 шт.)
• 27k (1 шт.)
• 33k (8 шт.)
• 47к (5 шт.)
• 68k (2 шт.)
• 100R (2 шт.)
• Ползунковый переключатель (1 шт.)
• LM358 (1 шт.)
• доска
• 28-контактный разъем IC или SIL-заголовок
• гайки и болты

Вам понадобятся обычные инструменты для электроники - паяльник, резаки, припой, отдельные кусочки проводов и т. Д. - и преобразователь USB-to-serial для программирования Arduino.

Трассировщик кривой построен на картоне. Если вы относитесь к тому типу людей, которым нужен индикатор кривой, вы уже знаете, как раскладывать стрипборд.

Макет, который я использовал, показан выше. Голубые линии - это медь на обратной стороне картона. Красные линии - это ссылки на стороне компонента или очень длинные выводы компонента. Изогнутые красные линии - это гибкий провод. Темно-синие кружки - разрывы на стрипборде.

Я построил его на двух досках, каждая размером 3,7 на 3,4 дюйма. Одна плата содержит дисплей и схему тестера; на другой плате есть батарейный отсек и источники питания 3,3 В, 5 В и 12 В. Я сохранил низковольтную («5В») и высоковольтную («12В») части схемы тестера разделенными, и только резисторы высокого напряжения пересекали границу.

Две доски и дисплей образуют трехуровневый сэндвич, скрепленный винтами M2. Я отрезал куски пластиковой трубки, чтобы она служила прокладкой, или вы можете использовать трубки для шариковой ручки и т. Д.

Я подключил только те контакты Arduino Mini, которые мне нужны, и только те, которые расположены по бокам (не на верхнем и нижнем концах Mini PCB). Я использовал короткие отрезки проводов, а не обычный ряд квадратных контактов, которые поставляются с Arduinos (на чертеже контакты, припаянные к печатной плате, имеют квадратную форму). Я хотел, чтобы Arduino располагалась заподлицо с панелью, потому что под дисплеем не так много высоты.

Распиновка Arduino ProMini довольно разнообразна. Штифты на длинных краях доски зафиксированы, но штифты на коротких краях у разных поставщиков различаются. Схема выше предполагает плату с 6 выводами программирования с Gnd рядом с выводом Raw и с DTR рядом с Tx на длинной стороне. На другом конце платы находится ряд из 5 контактов с 0 В рядом с D9 и A7 рядом с D10. Ни один из контактов с коротким краем не припаян к монтажной плате, поэтому вы можете использовать незакрепленные провода, если ваш ProMini другой.

Используйте гнездо SIL для крепления дисплея. Или разрежьте 28-контактное гнездо для микросхемы пополам и используйте эти части, чтобы сделать гнездо для дисплея. Припаяйте квадратные контакты, которые поставляются с дисплеем (или поставляются с Arduino), в дисплей. Они слишком толстые, чтобы вставлять их в розетку с точеными штырями - выбирайте розетку с штырями типа «пружинный зажим». Некоторые гнезда для микросхем типа "пружинный зажим" могут выдержать только полдюжины вставок / извлечений ЖК-дисплея, поэтому постарайтесь найти хорошие в своем ящике для компонентов.

На ЖК-дисплее есть гнездо для SD-карты (которой я не пользовался). Он подключен к 4 контактам на плате. Я использовал контакты и кусок SIL-заголовка или разъема IC для поддержки ЖК-дисплея.

Обратите внимание, что под сокетом ZIF есть несколько ссылок. Припаяйте их, прежде чем вставлять.

Я добавил программирующий коннектор с Tx, Rx, Gnd и кнопку сброса. (Мой преобразователь USB-последовательный порт не имеет вывода DTR, поэтому мне приходится вручную перезагружать Arduino.) Я распаял программный разъем, когда проект был завершен.

Для защиты электроники сделал крышку из листа полистирола.

Файлы схемы в формате EasyPC прилагаются.

Шаг 7: Будущее развитие

Было бы неплохо создать кривые для других компонентов, но какие? Мне не ясно, какую дополнительную информацию кривая тиристора или симистора может сказать мне после того, как тестер LCR-T4 делает. Тестер LCR-T4 можно использовать даже с оптоизоляторами. Я никогда не использовал истощающий МОП-транзистор, расширяющий полевой транзистор или однопереходный транзистор, и у меня их нет. Я предполагаю, что индикатор кривой может рассматривать IGBT как MOSFET.

Было бы неплохо, если бы трассировщик кривых мог автоматически распознавать компонент и говорить, какой вывод какой. В идеале, затем он будет производить кривые. К сожалению, способ управления и измерения выводов DUT потребовал бы множества дополнительных компонентов и сложности.

Более простое решение - скопировать существующую схему тестера LCR-T4 (она очень простая и с открытым исходным кодом) со вторым процессором Atmega. Расширьте гнездо ZIF до 16-контактного, чтобы получить три дополнительных контакта, в которые можно вставить неизвестный компонент. Новый Atmega действует как подчиненное устройство на шине SPI и сообщает основному Arduino Mini о том, что он видит. (Эскизы ведомых устройств SPI доступны в Интернете.) Программное обеспечение тестера LCR-T4 доступно и хорошо документировано. В этом нет ничего сложного.

Основной Arduino отображает тип компонента и схему того, как подключить компонент к части трассировщика кривой ZIF-сокета.

Я приложил макет для поверхностного монтажа, который можно использовать с Arduino ProMini или с голым Atmega328p (в формате EasyPC). Если будет достаточный спрос (и заказы с деньгами), я смогу произвести партию печатных плат SM. Не могли бы вы купить у меня одну готовую? Ну да, конечно, но цена была бы глупой. Преимущество сотрудничества с Китаем заключается в том, что так много отличных электронных модулей можно купить по очень низкой цене. Минус в том, что ничего разрабатывать не стоит: если получится, то клонируют. Каким бы красивым ни был этот индикатор кривой, я не считаю его жизнеспособной возможностью для бизнеса.