Transistor Curve Tracer: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Ho sempre desiderato un tracciatore di curve a transistor. È il modo migliore per capire cosa fa un dispositivo. Dopo averlo costruito e utilizzato, ho finalmente capito la differenza tra i vari tipi di FET.

È utile per

• transistor corrispondenti
• misurare il guadagno dei transistor bipolari
• misurare la soglia dei MOSFET
• misurare il cutoff di JFET
• misurare la tensione diretta dei diodi
• misurare la tensione di rottura di Zeners
• e così via.

Sono rimasto molto colpito quando ho acquistato uno dei meravigliosi tester LCR-T4 di Markus Frejek e altri, ma volevo che mi dicesse di più sui componenti, quindi ho iniziato a progettare il mio tester.

Ho iniziato utilizzando lo stesso schermo dell'LCR-T4 ma non ha una risoluzione sufficientemente elevata, quindi sono passato a un LCD 320x240 da 2,8 . Sembra essere un touch-screen a colori che è carino. Il tracciatore di curve funziona su un Arduino Pro Mini 5V Atmega328p 16MHz ed è alimentato da 4 celle AA.

Passaggio 1: come usarlo

Quando si accende il tracciatore di curve, viene visualizzata la schermata del menu principale.

Selezionare il tipo di dispositivo toccando uno tra "PNP NPN", "MOSFET" o "JFET". È possibile testare i diodi nella modalità "PNP NPN".

Inserisci il dispositivo in prova (DUT) nella presa ZIF. La schermata del menu mostra quali pin utilizzare. PNP, MOSFET a canale p e JFET a canale n vanno nel lato sinistro della presa. NPN, MOSFET a canale n e JFET a canale p vanno nel lato destro della presa. Chiudi il socket ZIF.

Dopo circa un secondo, il tester si renderà conto che ha un componente e inizierà a disegnare le curve.

Per un transistor PNP o NPN traccia Vce (la tensione tra il collettore e l'emettitore) rispetto alla corrente che scorre nel collettore. Viene tracciata una linea per ogni diversa corrente di base, ad es. 0uA, 50uA, 100uA, ecc. Il guadagno del transistor è mostrato nella parte superiore dello schermo.

Per un MOSFET traccia Vds (la tensione tra drain e source) rispetto alla corrente che scorre nel drain. Viene tracciata una linea per ogni diversa tensione di gate - 0V, 1V, 2V, ecc. La soglia di attivazione del FET è mostrata nella parte superiore dello schermo.

Per un JFET traccia Vds (la tensione tra drain e source) rispetto alla corrente che scorre nel drain. Viene tracciata una linea per ogni diversa tensione di gate: 0 V, 1 V, 2 V, ecc. Con i JFET a esaurimento, la corrente scorre quando la tensione di gate è uguale alla tensione di sorgente. Quando la tensione di gate viene modificata per essere più lontana dalla tensione di drain, il JFET si spegne. La soglia di cut-off del FET è mostrata nella parte superiore dello schermo.

La parte più interessante di una curva MOSFET o JFET è intorno alla tensione di attivazione o disattivazione più o meno poche centinaia di mV. Nel menu principale, toccare il pulsante Setup e verrà mostrata la schermata Setup. È possibile selezionare la tensione di gate minima e massima: verranno disegnate più curve in quella regione.

Per un transistor PNP o NPN, la schermata Setup consente di selezionare la corrente di base minima e massima

Con i diodi, puoi vedere la tensione diretta e con gli Zener, la tensione di rottura inversa. Nell'immagine sopra, ho combinato le curve di diversi diodi.

Passaggio 2: come funziona

Consideriamo un transistor NPN. Disegneremo un grafico della tensione tra il collettore e l'emettitore (l'asse x è Vce) rispetto alla corrente che scorre nel collettore (l'asse y è Ic). Disegneremo una linea per ogni diversa corrente di base (Ib) - ad es. 0uA, 50uA, 100uA, ecc.

L'emettitore della NPN è collegato a 0V e il collettore è collegato ad una "resistenza di carico" da 100ohm e quindi ad una tensione che aumenta lentamente. Un DAC controllato dall'Arduino analizza la tensione di prova da 0 V a 12 V (o fino a quando la corrente attraverso il resistore di carico raggiunge i 50 mA). L'Arduino misura la tensione tra il collettore e l'emettitore e la tensione attraverso il resistore di carico e disegna un grafico.

Questo viene ripetuto per ogni corrente di base. La corrente di base è generata da un secondo DAC da 0V a 12V e da un resistore da 27k. Il DAC produce 0V, 1,35V (50uA), 2,7V (100uA), 4,05V (150uA), ecc. (In realtà, la tensione deve essere un po' più alta a causa di Vbe - si presume che sia 0,7V.)

Per un transistor PNP, l'emettitore è collegato a 12V e il collettore è collegato a una resistenza di carico da 100ohm e quindi a una tensione che diminuisce lentamente da 12V a 0V. Il DAC della corrente di base scende da 12V.

Un MOSFET di potenziamento a canale n è simile a un NPN. La sorgente è collegata a 0V, la resistenza di carico è collegata al drain e ad una tensione variabile da 0V a 12V. Il DAC che controllava la corrente di base ora controlla la tensione di gate e passa a 0V, 1V, 2V, ecc.

Un MOSFET di potenziamento del canale p è simile a un PNP. La sorgente è collegata a 12V, la resistenza di carico è collegata al drain e ad una tensione variabile da 12V a 0V. La tensione del gate passa da 12V, 11V, 10V, ecc.

Un JFET di esaurimento del canale n è leggermente più difficile. Normalmente immagineresti la sorgente collegata a 0V, il drain collegato a una tensione positiva variabile e il gate collegato a una tensione negativa variabile. Un JFET normalmente conduce e viene spento da una tensione di gate negativa.

Il tracciatore di curve non può generare tensioni negative quindi il drain n-JFET è collegato a 12V, la sorgente è collegata a un resistore di carico da 100ohm e quindi a una tensione che diminuisce lentamente da 12V a 0V. Vogliamo che Vgs (la tensione gate-source) passi da 0V, -1V, -2V, ecc. Vogliamo che Vgs rimanga costante al variare di Vds (la tensione drain-source). Quindi l'Arduino imposta la tensione sul resistore di carico, quindi regola la tensione di gate DAC fino a quando Vgs è il valore richiesto. Quindi imposta una nuova tensione sulla resistenza di carico e regola nuovamente la tensione di gate, ecc.

(Il tracciatore della curva non può misurare la tensione applicata al gate ma sa cosa è detto al DAC di fare e questo è abbastanza preciso. Naturalmente, questo misura solo la parte del gate negativo della risposta JFET; se vuoi vedere la parte a gate positivo, trattala come un MOSFET.)

Un JFET di esaurimento del canale p viene trattato in modo simile, ma i valori da 0 a 12 V sono tutti invertiti.

(Il tracciatore di curve non si occupa specificamente di MOSFET di esaurimento o JFET di miglioramento, ma potresti trattarli come JFET di esaurimento e MOSFET di miglioramento.)

Una volta completato il grafico, il tracciatore di curve calcola il guadagno, la soglia o il cut-off del transistor.

Per i transistor bipolari, Arduino guarda la spaziatura media delle linee orizzontali delle curve. Mentre disegna la curva per la corrente di base, rileva la corrente di collettore quando Vce è uguale a 2V. La variazione della corrente del collettore viene divisa per la variazione della corrente di base per ottenere il guadagno. Il guadagno di un bipolare è un concetto vago. Dipende da come lo misuri. Non esistono due marche di multimetro daranno la stessa risposta. In generale, tutto ciò che chiedi è "il guadagno è alto?" o "questi due transistor sono uguali?".

Per i MOSFET, Arduino misura la soglia di accensione. Imposta la tensione di carico a 6V quindi aumenta gradualmente Vgs fino a quando la corrente attraverso il carico supera i 5mA.

Per i JFET, Arduino misura la tensione di interruzione. Imposta la tensione di carico a 6V quindi aumenta gradualmente (negativo) Vgs fino a quando la corrente attraverso il carico è inferiore a 1mA.

Passaggio 3: il circuito

Ecco una breve descrizione del circuito. Una descrizione più completa è nel file RTF allegato.

Il tracciatore di curve necessita di tre tensioni:

• 5V per Arduino
• 3.3V per l'LCD
• 12V per il circuito di prova

Il circuito deve convertire queste diverse tensioni dalle 4 celle AA.

L'Arduino è collegato a un DAC a 2 canali per produrre le varie tensioni di prova. (Ho provato a usare Arduino PWM come DAC ma era troppo rumoroso.)

Il DAC produce tensioni nell'intervallo da 0V a 4.096V. Questi vengono convertiti in 0V a 12V da amplificatori operazionali. Non sono riuscito a trovare alcun amplificatore operazionale da binario a binario passante in grado di generare / assorbire 50 mA, quindi ho usato un LM358. L'uscita di un amplificatore operazionale LM358 non può superare 1,5 V al di sotto della sua tensione di alimentazione (ovvero 10,5 V). Ma abbiamo bisogno dell'intera gamma di 0-12V.

Quindi usiamo un NPN come inverter a collettore aperto per l'uscita dell'amplificatore operazionale.

Il vantaggio è che questa uscita "op-amp a collettore aperto" fatta in casa può arrivare fino a 12V. I resistori di feedback attorno all'amplificatore operazionale amplificano da 0V a 4V dal DAC a 0V a 12V.

Le tensioni al Device-Under-Test (DUT) variano tra 0V e 12V. Gli ADC Arduino sono limitati a 0V a 5V. I potenziali divisori effettuano la conversione.

Tra Arduino e l'LCD ci sono potenziali divisori che scendono da 5 V a 3 V. L'LCD, il touch screen e il DAC sono controllati dal bus SPI.

Il tracciatore di curve è alimentato da 4 celle AA che forniscono 6,5 V quando sono nuove e possono essere utilizzate fino a circa 5,3 V.

I 6 V dalle celle vengono ridotti a 5 V con un regolatore di caduta molto basso - un HT7550 (se non ne hai uno, allora uno zener da 5 V e un resistore da 22 ohm non è molto peggio). Il consumo di corrente dell'alimentazione a 5 V è di circa 26 mA.

I 6 V dalle celle vengono ridotti a 3,3 V con un regolatore a bassa caduta di tensione: l'HT7533. Il consumo di corrente dell'alimentatore da 3,3 V è di circa 42 mA. (Un 78L33 standard funzionerebbe ma ha un dropout di 2V, quindi dovresti buttare via le tue celle AA prima.)

I 6V delle celle vengono potenziati a 12V con un SMPS (Switched Mode Power Supply). Ho semplicemente acquistato un modulo da eBay. Ho avuto seri problemi a trovare un convertitore decente. La linea di fondo è, non utilizzare un convertitore XL6009, è una minaccia assoluta. Quando la batteria si scarica e scende sotto i 4V, l'XL6009 impazzisce e produce fino a 50V che friggerebbero tutto. Quello buono che ho usato è:

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+Aumento+Alimentazione+Alimentazione+Boost+Tensione+Regolatore+Convertitore&_from=R40&rt=nc&_trks13

È piccolo ed è efficiente all'80% circa. Il suo consumo di corrente in ingresso è di circa 5mA in attesa dell'inserimento di un DUT e momentaneamente fino a 160mA durante il disegno delle curve.

Quando le celle AA vengono scaricate, le tensioni variano, il software compensa utilizzando le tensioni di riferimento. L'Arduino misura l'alimentazione a 12V. L'ADC Arduino utilizza la sua alimentazione "5V" come tensione di riferimento, ma quel "5V" è calibrato accuratamente rispetto alla tensione di riferimento interna di 1,1V di Arduino. Il DAC ha una tensione di riferimento interna accurata.

Mi piace il modo in cui l'LCR-T4 ha un pulsante per accenderlo e si spegne automaticamente con un timeout. Sfortunatamente, il circuito introduce una caduta di tensione che non posso permettermi quando si alimenta da 4 celle AA. Anche riprogettare il circuito per utilizzare un FET non è stato sufficiente. Quindi sto usando un semplice interruttore on/off.

Passaggio 4: il software

Lo sketch di Arduino è allegato qui. Compilalo e caricalo nel Pro Mini nel modo consueto. Ci sono molte descrizioni su come caricare programmi sul web e in altri Instructables.

Lo schizzo inizia disegnando il menu principale poi attende che tu inserisca un componente o tocchi uno dei pulsanti (o invii un comando dal PC). Verifica l'inserimento dei componenti una volta al secondo.

Sa che hai inserito un componente perché, con la tensione base/gate impostata a metà (DAC = 128) e la tensione della resistenza di carico impostata su 0V o 12V, una corrente di diversi mA scorre attraverso l'una o l'altra delle resistenze di carico. Sa quando il dispositivo è un diodo perché cambiando la tensione di base/gate non cambia la corrente di carico.

Quindi traccia le curve appropriate e disattiva le correnti di base e di carico. Quindi esegue il test una volta al secondo finché il componente non viene scollegato. Sa che il componente è scollegato perché la corrente di carico scende a zero.

L'LCD ILI9341 è gestito dalla mia libreria chiamata "SimpleILI9341". La biblioteca è qui allegata. Ha un set standard di comandi di disegno molto simile a tutte queste librerie. I suoi vantaggi rispetto ad altre librerie sono che funziona (alcune no!) e condivide educatamente il bus SPI con altri dispositivi. Alcune delle librerie "veloci" che puoi scaricare utilizzano cicli di temporizzazione speciali e sono turbate quando altri dispositivi, anche più lenti, vengono utilizzati sullo stesso bus. È scritto in C semplice e quindi ha costi generali inferiori rispetto ad alcune librerie. È allegato un programma Windows che consente di creare i propri caratteri e icone.

Passaggio 5: comunicazioni seriali al PC

Il tracciatore di curve può comunicare con un PC tramite un collegamento seriale (9600 bps, 8 bit, nessuna parità). Avrai bisogno di un convertitore USB-seriale adatto.

Dal PC al tracciatore di curve possono essere inviati i seguenti comandi:

• Comando 'N': traccia le curve di un transistor NPN.
• Comando 'P': traccia le curve di un transistor PNP.
• Comando 'F': traccia le curve di un n-MOSFET.
• Comando 'f': traccia le curve di un p-MOSFET.
• Comando 'J': traccia le curve di un n-JFET.
• Comando 'j': traccia le curve di un p-JFET.
• Comando 'D': tracciare le curve di un diodo sul lato NPN della presa.
• Comando 'd': traccia le curve di un diodo sul lato PNP della presa.
• Comando 'A' nn: imposta DAC-A al valore nn (nn è un singolo byte) quindi restituisce una 'A' al PC. DAC-A controlla la tensione di carico.
• Comando 'B' nn: impostare DAC-A al valore nn quindi restituire una 'B' al PC. DAC-B controlla la tensione di base/gate.
• Comando 'X': invia continuamente i valori ADC al PC.
• Comando 'M': mostra il menu principale.

Quando le curve vengono tracciate seguendo uno dei comandi, i risultati della curva vengono ritrasmessi al PC. Il formato è:

• "n": inizia un nuovo grafico, disegna gli assi, ecc.

• "m (x), (y), (b)": sposta la penna su (x), (y).

  • (x) è Vce in mV intero.
  • (y) è Ic in centinaia interi su uA (ad es. 123 significa 12,3 mA).
  • (b) è la corrente di base in intero uA
  • oppure (b) è 50 volte la tensione di gate in mV interi
• "l (x), (y), (b)": traccia una linea su cui scrivere (x), (y).
• "z": la fine di questa riga

• "g (g)": la fine della scansione;

  (g) è il guadagno, la tensione di soglia (x10) o la tensione di interruzione (x10)

I valori inviati al PC sono i valori misurati grezzi. L'Arduino leviga i valori prima di disegnarli mediando; dovresti fare lo stesso.

Quando il PC invia un comando "X", i valori ADC vengono restituiti come numeri interi:

• "x (p), (q), (r), (s), (t), (u)"

  • (p) la tensione alla resistenza di carico del PNP DUT
  • (q) la tensione al collettore del PNP DUT
  • (r) la tensione alla resistenza di carico dell'NPN DUT
  • (s) la tensione al collettore del DUT NPN
  • (t) la tensione dell'alimentazione "12V"
  • (u) la tensione dell'alimentazione "5V" in mV

Potresti scrivere un programma per PC per testare altri dispositivi. Impostare i DAC per testare le tensioni (usando i comandi 'A' e 'B'), quindi vedere cosa riportano gli ADC.

Il tracciatore di curve invia i dati al PC solo dopo aver ricevuto un comando poiché l'invio dei dati rallenta la scansione. Inoltre, non verifica più la presenza/assenza di un componente. L'unico modo per spegnere il tracciatore di curve è inviare un comando "O" (o rimuovere la batteria).

È allegato un programma Windows che mostra l'invio di comandi al tracciatore di curve.

Passaggio 6: costruire il tracciatore di curve

Ecco i componenti principali che probabilmente dovrai acquistare:

• Arduino Pro Mini 5V 16MHz Atmel328p (1,30€)
• Presa Zif a 14 pin (£ 1)
• MCP4802 (£ 2,50)
• HT7533 (£ 1)
• LE33CZ (£1)
• IL9341 Display da 2,8" (£ 6)
• Alimentatore boost da 5V a 12V (£1)
• Portabatterie 4xAA (£ 0,30)

Cerca eBay o il tuo fornitore preferito. Questo è un totale di circa £ 14.

Ho il mio display qui:

www.ebay.co.uk/itm/2-8-TFT-LCD-Display-Touch-Panel-SPI-Serial-ILI9341-5V-3-3V-STM32/202004189628?hash=item2f086351bc:g: 5TsAAOSwp1RZfIO5

E la spinta SMPS qui:

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-Alimentazione-Boost-Voltage-Regulator-Converter&_from=R40&rt=nc&_trksid l1313

I componenti rimanenti sono cose che probabilmente hai già:

• BC639 (3 pezzi)
• 100nF (7 di sconto)
• 10uF (2 off)
• 1k (2 di sconto)
• 2k2 (5 off)
• 3k3 (5 off)
• 4k7 (1 off)
• 10k (7 di sconto)
• 27k (1 sconto)
• 33k (8 di sconto)
• 47k (5 di sconto)
• 68k (2 di sconto)
• 100R (2 pezzi)
• Interruttore a scorrimento (1 spento)
• LM358 (1 pezzo)
• stripboard
• Presa IC a 28 pin o intestazione SIL
• dadi e bulloni

Avrai bisogno dei soliti strumenti elettronici - saldatore, taglierine, saldatura, pezzi dispari di filo, ecc. - e un convertitore da USB a seriale per programmare Arduino.

Il tracciatore di curve è costruito su stripboard. Se sei il tipo di persona che desidera un tracciatore di curve, saprai già come disporre lo stripboard.

Il layout che ho usato è mostrato sopra. Le linee ciano sono in rame sul retro dello stripboard. Le linee rosse sono collegamenti sul lato del componente o sono i cavi extra lunghi del componente. Le linee rosse curve sono fili flessibili. I cerchi blu scuri sono interruzioni nello stripboard.

L'ho costruito su due schede, ciascuna da 3,7" per 3,4". Una scheda contiene il display e il circuito del tester; l'altra scheda ha il portabatterie e le alimentazioni da 3,3V, 5V e 12V. Ho tenuto separate le parti a bassa tensione ("5 V") e ad alta tensione ("12 V") del circuito del tester con solo resistori di alto valore che attraversano la frontiera.

Le due schede e il display formano un sandwich a tre piani tenuto insieme da viti M2. Ho tagliato delle lunghezze di tubo di plastica per fungere da distanziatori o potresti usare tubi per penne a sfera, ecc.

Ho collegato solo i pin Arduino Mini di cui avevo bisogno e solo quelli sui lati (non alle estremità superiore e inferiore del Mini PCB). Ho usato fili corti piuttosto che la solita fila di pin quadrati forniti con Arduino (i pin saldati al PCB sono quadrati nel disegno). Volevo che Arduino fosse a filo con la stripboard perché non c'è molta altezza sotto il display.

Il pinout di Arduino ProMini è piuttosto variabile. I perni sui bordi lunghi della scheda sono fissi, ma i perni sui bordi corti differiscono tra i fornitori. Il layout sopra presuppone una scheda con i 6 pin di programmazione con Gnd accanto al pin Raw e con DTR accanto a Tx sul lato lungo. All'altra estremità della scheda ci sono una fila di 5 pin con 0V accanto a D9 e A7 accanto a D10. Nessuno dei pin a bordo corto è saldato nella stripboard, quindi puoi usare fili sciolti se il tuo ProMini è diverso.

Utilizzare una presa di intestazione SIL per sostenere il display. Oppure taglia a metà una presa IC a 28 pin e usa i pezzi per creare una presa per il display. Saldare i pin quadrati forniti con il display (o forniti con Arduino) nel display. Sono troppo grossi per essere inseriti in una presa a pin girati: scegli una presa con pin del tipo "clip a molla". Alcuni tipi di prese IC con "clip a molla" possono sopportare solo una mezza dozzina di inserimenti/rimozioni dell'LCD, quindi cerca di trovarne di buone nel cassetto dei componenti.

Il display LCD contiene una presa per una scheda SD (che non ho usato). È collegato a 4 pin sul pcb. Ho usato i pin e un pezzo di intestazione SIL o presa IC per aiutare a supportare l'LCD.

Notare che ci sono alcuni collegamenti sotto il socket ZIF. Saldarli prima di montarli.

Ho aggiunto un connettore di programmazione con Tx, Rx, Gnd e un pulsante di reset. (Il mio convertitore da USB a seriale non ha un pin DTR, quindi devo ripristinare manualmente Arduino.) Ho dissaldato il connettore di programmazione quando il progetto era finito.

Per proteggere l'elettronica, ho realizzato una copertura con un foglio di polistirolo.

In allegato i file del circuito in formato EasyPC.

Passaggio 7: sviluppo futuro

Potrebbe essere bello produrre curve per altri componenti, ma quali? Non mi è chiaro quali informazioni extra mi direbbe la curva di un tiristore o di un triac oltre a ciò che fa il tester LCR-T4. Il tester LCR-T4 può essere utilizzato anche con optoisolatori. Non ho mai usato un MOSFET di esaurimento o un JFET di miglioramento o un transistor unijunction e non ne possiedo nessuno. Presumo che il tracciatore di curve possa trattare un IGBT come un MOSFET.

Sarebbe bello se il tracciatore di curve potesse riconoscere automaticamente un componente e dire quale pin è quale. Idealmente, dovrebbe quindi produrre le curve. Sfortunatamente, il modo in cui i pin DUT sono guidati e misurati, richiederebbe molti componenti extra e complessità.

Una soluzione più semplice è copiare il circuito del tester LCR-T4 esistente (è open source e molto semplice) con un secondo processore Atmega. Estendi lo zoccolo ZIF a 16 pin per ottenere tre pin extra in cui è possibile collegare il componente sconosciuto. Il nuovo Atmega funge da slave sul bus SPI e riporta all'Arduino Mini principale ciò che vede. (Gli schizzi degli slave SPI sono disponibili sul Web.) Il software del tester LCR-T4 è disponibile e sembra ben documentato. Non c'è niente di intrinsecamente difficile lì.

L'Arduino principale mostra il tipo di componente e un diagramma di come collegare il componente alla parte del tracciatore di curve della presa ZIF.

Ho allegato un layout a montaggio superficiale che può essere utilizzato con un Arduino ProMini o con un Atmega328p nudo (in formato EasyPC). Se c'è una domanda sufficiente (e ordini con denaro) potrei produrre un lotto di PCB SM Potresti comprarne uno da me già costruito? Ebbene sì, certo, ma il prezzo sarebbe sciocco. Il vantaggio di trattare con la Cina è che così tanti eleganti moduli elettronici possono essere acquistati così a buon mercato. Lo svantaggio è che non vale la pena sviluppare nulla: se avrà successo verrà clonato. Per quanto bello sia questo tracciatore di curve, non lo vedo come un'opportunità di business praticabile.