Tractor de la corba del transistor: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Sempre he volgut un traçador de corbes de transistors. És la millor manera d’entendre el que fa un dispositiu. Després d’haver-lo construït i utilitzat, finalment entenc la diferència entre els diversos sabors de FET.

És útil per a

• transistors coincidents
• mesurant el guany dels transistors bipolars
• mesurant el llindar dels MOSFET
• mesurant el tall dels JFET
• mesurant la tensió directa dels díodes
• mesurant la tensió de ruptura de Zeners
• etcètera.

Em va impressionar molt quan vaig comprar un dels meravellosos provadors LCR-T4 de Markus Frejek i d’altres, però volia que m’expliqués més informació sobre els components, així que vaig començar a dissenyar el meu propi provador.

Vaig començar fent servir la mateixa pantalla que el LCR-T4, però no té una resolució prou alta, així que vaig canviar a una pantalla LCD de 2.8 de 320x240. És una pantalla tàctil a color que és agradable. El traçador de corbes funciona un Arduino Pro Mini 5V Atmega328p 16MHz i funciona amb 4 cèl·lules AA.

Pas 1: com utilitzar-lo

Quan activeu el traçador de corbes, es mostrarà la pantalla del menú principal.

Seleccioneu el tipus de dispositiu tocant un de "PNP NPN", "MOSFET" o "JFET". Podeu provar els díodes en mode "PNP NPN".

Introduïu el dispositiu sota prova (DUT) al sòcol ZIF. La pantalla del menú us mostra quins pins cal utilitzar. Els PNP, els MOSFETS de canal p i els JFETS de canal n van al costat esquerre del sòcol. Els NPN, els MOSFETS de canal n i els JFETS de canal p van al costat dret del sòcol. Tanqueu el sòcol ZIF.

Al cap d’un segon més o menys, el comprovador s’adonarà que té un component i començarà a dibuixar les corbes.

Per a un transistor PNP o NPN, representa un Vce (el voltatge entre el col·lector i l’emissor) enfront del corrent que flueix al col·lector. Es dibuixa una línia per a cada corrent base diferent, per exemple. 0uA, 50uA, 100uA, etc. El guany del transistor es mostra a la part superior de la pantalla.

Per a un MOSFET traça Vds (el voltatge entre el desguàs i la font) enfront del corrent que flueix al desguàs. Es dibuixa una línia per a cada tensió de porta diferent: 0V, 1V, 2V, etc. El llindar d'activació del FET es mostra a la part superior de la pantalla.

Per a un JFET, representa un Vds (el voltatge entre el desguàs i la font) enfront del corrent que flueix al desguàs. Es traça una línia per a cada tensió de porta diferent: 0V, 1V, 2V, etc. Amb JFET d’esgotament, el corrent flueix quan la tensió de la porta és igual a la tensió de la font. A mesura que es modifica el voltatge de la porta per estar més lluny del voltatge de desguàs, el JFET s'apaga. El llindar de tall del FET es mostra a la part superior de la pantalla.

La part més interessant d’una corba MOSFET o JFET és al voltant de la tensió d’encès o de tall més o menys uns quants centenars de mV. Al menú principal, toqueu el botó Configuració i es mostrarà la pantalla Configuració. Podeu seleccionar el voltatge mínim i màxim de la porta: es dibuixaran més corbes en aquesta regió.

Per a un transistor PNP o NPN, la pantalla Configuració us permet seleccionar el corrent base mínim i màxim

Amb els díodes, podeu veure la tensió directa i, amb Zeners, la tensió de ruptura inversa. A la imatge superior, he combinat les corbes de diversos díodes.

Pas 2: Com funciona

Considerem un transistor NPN. Dibuixarem un gràfic del voltatge entre el col·lector i l’emissor (l’eix x és Vce) enfront del corrent que flueix al col·lector (l’eix y és Ic). Dibuixarem una línia per cada corrent de base diferent (Ib), p. Ex. 0uA, 50uA, 100uA, etc.

L'emissor del NPN està connectat a 0V i el col·lector es connecta a una "resistència de càrrega" de 100ohm i després a una tensió que augmenta lentament. Un DAC controlat per l'Arduino escombra que prova la tensió de 0V a 12V (o fins que el corrent a través de la resistència de càrrega arriba a 50mA). L'Arduino mesura la tensió entre el col·lector i l'emissor i la tensió a través de la resistència de càrrega i dibuixa un gràfic.

Això es repeteix per a cada corrent base. El corrent base és generat per un segon DAC de 0V a 12V i una resistència de 27k. El DAC produeix 0V, 1,35V (50uA), 2,7V (100uA), 4,05V (150uA), etc.

Per a un transistor PNP, l’emissor està connectat a 12V i el col·lector es connecta a una resistència de càrrega de 100ohm i després a una tensió que disminueix lentament de 12V a 0V. El DAC actual actual baixa de 12V.

Un MOSFET de millora de canal n és similar a un NPN. La font està connectada a 0V, la resistència de càrrega està connectada al desguàs i a una tensió que va de 0V a 12V. El DAC que controlava el corrent base ara controla la tensió de la porta i els passos 0V, 1V, 2V, etc.

Un MOSFET de millora del canal p és similar a un PNP. La font està connectada a 12V, la resistència de càrrega està connectada al desguàs i a un voltatge de 12V a 0V. Els passos de tensió de la porta 12V, 11V, 10V, etc.

Un JFET d’esgotament de canal n és una mica més difícil. Normalment us imaginaríeu la font connectada a 0V, el drenatge connectat a una tensió positiva variable i la porta connectada a una tensió negativa variable. Un JFET normalment condueix i s’apaga per una tensió de porta negativa.

El traçador de corbes no pot generar tensions negatives, de manera que el drenatge n-JFET està connectat a 12V, la font està connectada a una resistència de càrrega de 100ohm i després a una tensió que disminueix lentament de 12V a 0V. Volem que el Vgs (el voltatge de la font d’entrada) passi de 0V, -1V, -2V, etc. Volem que el Vgs es mantingui constant ja que varia el Vds (el voltatge de la font de drenatge). Per tant, Arduino estableix el voltatge a la resistència de càrrega i, a continuació, ajusta el voltatge DAC de la porta fins que Vgs sigui el valor requerit. A continuació, estableix una nova tensió a la resistència de càrrega i torna a ajustar la tensió de la porta, etc.

(El traçador de corbes no pot mesurar el voltatge aplicat a la porta, però sap el que se li ha dit al DAC que faci i això és prou precís. Per descomptat, això només mesura la part de la porta negativa de la resposta JFET; si voleu veure la part positiva de la porta, tracteu-la com un MOSFET.)

Un JFET d’esgotament del canal p es tracta de manera similar, però tots els valors de 0 a 12V s’inverteixen.

(El traçador de corbes no tracta específicament els MOSFET d'esgotament ni els JFET de millora, però els podríeu tractar com a JFET d'esgotament i MOSFET de millora.)

Un cop completat el gràfic, el traçador de la corba calcula el guany, el llindar o el tall del transistor.

Per als transistors bipolars, l’Arduino analitza l’espai mitjà de les línies horitzontals de les corbes. A mesura que dibuixa la corba del corrent base, observa el corrent del col·lector quan Vce és igual a 2V. El canvi de corrent del col·lector es divideix pel canvi de corrent base per donar el guany. El guany d’un bipolar és un concepte imprecís. Depèn de com es mesuri. No hi ha dues marques de multímetre que donin la mateixa resposta. En general, tot el que pregunteu és "el guany és alt?" o "són aquests dos transistors iguals?".

Per als MOSFET, l’Arduino mesura el llindar d’activació. Estableix la tensió de càrrega a 6V i després augmenta gradualment Vgs fins que el corrent a través de la càrrega supera els 5mA.

Per als JFET, l’Arduino mesura la tensió de tall. Estableix la tensió de càrrega a 6V i augmenta gradualment (negatiu) Vgs fins que el corrent a través de la càrrega sigui inferior a 1mA.

Pas 3: el circuit

Aquí teniu una breu descripció del circuit. Hi ha una descripció més completa al fitxer RTF adjunt.

El traçador de corba necessita tres tensions:

• 5V per a l'Arduino
• 3,3 V per a la pantalla LCD
• 12V per al circuit de prova

El circuit ha de convertir aquests diferents voltatges a partir de les 4 cel·les AA.

L'Arduino està connectat a un DAC de 2 canals per produir les diverses tensions de prova. (Vaig provar d'utilitzar l'Arduino PWM com a DAC, però era massa sorollós).

El DAC produeix tensions compreses entre 0V i 4.096V. Aquests es converteixen en 0V a 12V per amplificadors operatius. No he pogut trobar cap amplificador operatiu de ferrocarril a ferrocarril que pugui generar / enfonsar 50 mA, així que he utilitzat un LM358. La sortida d’un amplificador operatiu LM358 no pot superar 1,5V per sota de la seva tensió d’alimentació (és a dir, 10,5V). Però necessitem tota la gamma de 0-12V.

Per tant, fem servir un NPN com a inversor de col·lector obert per a la sortida de l’amplificador operatiu.

L’avantatge és que aquesta sortida feta a casa “amplificador operatiu de col·lector obert” pot arribar fins als 12V. Les resistències de retroalimentació al voltant de l’amplificador operatiu amplifiquen el 0V a 4V del DAC a 0V a 12V.

Les tensions del dispositiu sota prova (DUT) varien entre 0V i 12V. Els ADC Arduino estan limitats a 0V a 5V. Els divisors potencials fan la conversió.

Entre l'Arduino i el LCD hi ha divisors potencials que baixen de 5V a 3V. La pantalla LCD, la pantalla tàctil i el DAC estan controlats pel bus SPI.

El traçador de corbes s’alimenta de 4 cel·les AA que donen 6,5 V quan són noves i es poden utilitzar fins a uns 5,3 V.

El 6V de les cel·les es redueix a 5V amb un regulador d’abandonament molt baix: un HT7550 (si no en teniu, un zener de 5V i una resistència de 22ohm no és massa pitjor). El consum actual del subministrament de 5V ronda els 26mA.

El 6V de les cel·les es redueix a 3,3V amb un regulador de baixa abandonament: el HT7533. El consum actual del subministrament de 3,3 V ronda els 42 mA. (Un 78L33 estàndard funcionaria, però té un abandó de 2 V, de manera que hauríeu de llençar les vostres cèl·lules AA abans).

El 6V de les cel·les augmenta a 12V amb un SMPS (alimentació en mode commutat). Simplement he comprat un mòdul a eBay. Vaig tenir problemes reals per trobar un convertidor decent. La conclusió és que no utilitzeu un convertidor XL6009, és una amenaça absoluta. A mesura que la bateria es descarrega i cau per sota dels 4V, el XL6009 es torna boig i produeix fins a 50V, cosa que ho fregiria tot. El bo que he utilitzat és:

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 = 13 & mc

És petit i té un 80% d’eficiència. El seu consum de corrent d’entrada és d’uns 5 mA quan s’espera que s’insereixi un DUT i de moment fins a 160 mA en dibuixar les corbes.

A mesura que es descarreguen les cel·les AA, les tensions varien, el programari compensa mitjançant voltatges de referència. L'Arduino mesura el subministrament de 12V. L'Arduino ADC utilitza el seu subministrament "5V" com a tensió de referència, però aquest "5V" es calibra amb precisió contra el voltatge de referència intern de 1,1V de l'Arduino. El DAC té una tensió de referència interna precisa.

M'agrada la forma en què el LCR-T4 té un botó per engegar-lo i s'apaga automàticament amb un temps d'espera. Malauradament, el circuit introdueix una caiguda de tensió que no em puc permetre quan s’alimenta des de 4 cel·les AA. Fins i tot redissenyar el circuit per utilitzar un FET no va ser suficient. Per tant, estic fent servir un senzill interruptor d’encès / apagat.

Pas 4: el programari

Aquí s’adjunta l’esbós d’Arduino. Compileu-lo i pengeu-lo al Pro Mini de la manera habitual. Hi ha moltes descripcions sobre com penjar programes al web i en altres instruccions.

L'esbós comença dibuixant el menú principal i després espera que inseriu un component o toqueu un dels botons (o envieu una ordre des del PC). Prova la inserció de components un cop per segon.

Sap que heu inserit un component perquè, amb la tensió base / porta configurada a la meitat del camí (DAC = 128) i la tensió de la resistència de càrrega configurada a 0V o 12V, un corrent de diversos mA flueix a través d’una o altra de les resistències de càrrega. Sap quan el dispositiu és un díode perquè canviar el voltatge base / porta no canvia el corrent de càrrega.

A continuació, dibuixa les corbes adequades i apaga la base i els corrents de càrrega. A continuació, prova un cop per segon fins que es desconnecta el component. Sap que el component està desconnectat perquè el corrent de càrrega cau a zero.

La pantalla LCD ILI9341 està impulsada per la meva pròpia biblioteca anomenada "SimpleILI9341". La biblioteca s’adjunta aquí. Té un conjunt estàndard d’ordres de dibuix molt similars a totes aquestes biblioteques. Els seus avantatges respecte a altres biblioteques són que funciona (alguns no!) I comparteix educadament el bus SPI amb altres dispositius. Algunes de les biblioteques "ràpides" que podeu descarregar utilitzen bucles de sincronització especials i es molesten quan s'utilitzen altres dispositius, potser més lents, al mateix bus. Està escrit en lletra C i, per tant, té despeses generals més petites que algunes biblioteques. S'adjunta un programa de Windows que us permet crear els vostres propis tipus de lletra i icones.

Pas 5: comunicacions en sèrie al PC

El traçador de corbes es pot comunicar amb un PC mitjançant un enllaç sèrie (9600bps, 8 bits, sense paritat). Necessitareu un convertidor USB-sèrie adequat.

Les ordres següents es poden enviar des del PC al traçador de corbes:

• Ordre 'N': traça les corbes d'un transistor NPN.
• Ordre 'P': traça les corbes d'un transistor PNP.
• Ordre 'F': traça les corbes d'un n-MOSFET.
• Ordre 'f': traça les corbes d'un p-MOSFET.
• Ordre 'J': traça les corbes d'un n-JFET.
• Ordre 'j': traça les corbes d'un p-JFET.
• Ordre "D": traça les corbes d'un díode al costat NPN del sòcol.
• Ordre 'd': traça les corbes d'un díode al costat PNP del sòcol.
• Ordre 'A' nn: configureu DAC-A al valor nn (nn és un byte únic) i, a continuació, torneu una 'A' al PC. DAC-A controla la tensió de càrrega.
• Ordre 'B' nn: configureu DAC-A al valor nn i, a continuació, torneu una 'B' al PC. DAC-B controla la tensió de la base / porta.
• Ordre "X": envieu contínuament els valors ADC al PC.
• Ordre "M": mostra el menú principal.

Quan es traça les corbes seguint una de les ordres, els resultats de la corba es transmeten de nou al PC. El format és:

• "n": iniciar una nova trama, dibuixar els eixos, etc.

• "m (x), (y), (b)": moveu la ploma a (x), (y).

  • (x) és Vce en sencer mV.
  • (y) és Ic en centenars enters a uA (per exemple, 123 significa 12,3 mA).
  • (b) és el corrent base en el nombre enter uA
  • o (b) és 50 vegades la tensió de la porta en mV enter
• "l (x), (y), (b)": dibuixeu una línia fins a (x), (y).
• "z": el final d'aquesta línia

• "g (g)": el final de l'exploració;

  (g) és el guany, la tensió llindar (x10) o la tensió de tall (x10)

Els valors enviats al PC són els valors mesurats en brut. L'Arduino suavitza els valors abans de dibuixar-los mitjançant l'avreraging; hauríeu de fer el mateix.

Quan el PC envia una ordre "X", els valors ADC es tornen com a enters:

• "x (p), (q), (r), (s), (t), (u)"

  • (p) la tensió a la resistència de càrrega del PNP DUT
  • (q) la tensió al col·lector del PNP DUT
  • (r) la tensió a la resistència de càrrega del NPN DUT
  • (s) el voltatge al col·lector del NPN DUT
  • (t) la tensió de l'alimentació "12V"
  • (u) la tensió de l'alimentació "5V" en mV

Podeu escriure un programa de PC per provar altres dispositius. Establiu els DAC per provar els voltatges (utilitzant les ordres "A" i "B") i, a continuació, consulteu el que informen els ADC.

El traçador de corbes només envia dades al PC després que hagi rebut una ordre, ja que l'enviament de dades ralentitza l'escaneig. Tampoc deixa de provar la presència / absència d’un component. L'única manera d'apagar el traçador de la corba és enviar una ordre "O" (o treure la bateria).

S'adjunta un programa de Windows que demostra l'enviament d'ordres al traçador de corbes.

Pas 6: Construir el traçador de corbes

Aquests són els components principals que probablement haureu de comprar:

• Arduino Pro Mini 5V 16MHz Atmel328p (1,30 £)
• Socket Zif de 14 clavilles (1 £)
• MCP4802 (2,50 £)
• HT7533 (1 £)
• LE33CZ (1 £)
• IL9341 Pantalla de 2,8 "(6 £)
• Alimentació d'alimentació de 5V a 12V (1 £)
• Suport de bateria de cèl·lula 4xAA (0,30 £)

Cerqueu a eBay o al vostre proveïdor preferit. Això suposa un total d’uns 14 GBP.

Aquí tinc la meva pantalla:

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

I l’impuls SMPS aquí:

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 & rt = nc. l1313

La resta de components són coses que probablement ja teniu:

• BC639 (3 de descompte)
• 100 nF (7 de descompte)
• 10 uF (2 de descompte)
• 1 k (2 de descompte)
• 2k2 (5 de descompte)
• 3k3 (5 de descompte)
• 4k7 (1 de descompte)
• 10k (7 de descompte)
• 27 k (1 descompte)
• 33 k (8 de descompte)
• 47 k (5 de descompte)
• 68 k (2 de descompte)
• 100R (2 de descompte)
• Interruptor lliscant (1 desactivat)
• LM358 (1 descompte)
• llistó
• Presa IC de 28 pins o capçalera SIL
• femelles i cargols

Necessitareu les eines electròniques habituals (soldador, talladores, soldadura, trossos de filferros, etc.) i un convertidor USB-sèrie per programar l’Arduino.

El traçador de la corba està construït sobre un tauler de tires. Si sou el tipus de persona que vol un traçador de corbes, ja sabreu com disposar un tauler de fusta.

El disseny que he utilitzat es mostra a la part superior. Les línies cianes són de coure a la part posterior del tauler. Les línies vermelles són enllaços al costat del component o són els cables extra llargs del component. Les línies vermelles corbes són de filferro flexible. Els cercles de color blau fosc són trencaments al tauler de tires.

El vaig construir en dues taules, cadascuna de 3,7 "per 3,4". Una placa conté la pantalla i el circuit del provador; l'altra placa té el suport de la bateria i els subministraments de 3,3V, 5V i 12V. Vaig mantenir separades les parts de baixa tensió ("5V") i alta tensió ("12V") del circuit de verificació amb només resistències d'alt valor que creuaven la frontera.

Les dues taules i la pantalla formen un sandvitx de tres pisos unit amb cargols M2. Vaig tallar longituds de tubs de plàstic per actuar com a espaiadors o es podrien utilitzar tubs de bolígraf, etc.

Només he connectat els pins d'Arduino Mini que necessitava i només els dels laterals (no als extrems superior i inferior del Mini PCB). Vaig utilitzar filferros curts en lloc de la fila habitual de pins quadrats que es subministren amb Arduinos (els pins soldats al PCB són quadrats al dibuix). Volia que l'Arduino estigués a ras contra el tauler perquè no hi ha molta alçada a la pantalla.

El pinout Arduino ProMini és bastant variable. Els passadors de les vores llargues del tauler estan fixes, però els passadors de les vores curtes difereixen entre proveïdors. El disseny anterior suposa una placa amb els 6 pins de programació amb Gnd al costat del pin Raw i amb DTR al costat de Tx a la vora llarga. A l’altre extrem del tauler hi ha una fila de 5 pins amb 0V al costat de D9 i A7 al costat de D10. Cap dels passadors de vora curta no es solda al tauler, de manera que podeu utilitzar cables solts si el vostre ProMini és diferent.

Utilitzeu un sòcol de capçalera SIL per mantenir la pantalla. O talleu un sòcol IC de 28 pins per la meitat i utilitzeu les peces per fer un sòcol per a la pantalla. Soldeu els pins quadrats que es subministren amb la pantalla (o que vénen amb l’Arduino) a la pantalla. Són massa greixos per connectar-se a un endoll de pas; trieu un endoll que tingui el tipus de passador "clip de molla". Alguns endolls IC de tipus "clip de molla" només poden suportar mitja dotzena d'insercions / extraccions de la pantalla LCD, així que intenteu trobar-ne de bones al calaix de components.

La pantalla LCD conté un endoll per a una targeta SD (que no he utilitzat). Està connectat a 4 pins del PCB. He utilitzat els pins i un tros de capçalera SIL o endoll IC per ajudar a donar suport a la pantalla LCD.

Fixeu-vos que hi ha alguns enllaços sota el sòcol ZIF. Soldeu-los abans que no encaixi.

He afegit un connector de programació amb Tx, Rx, Gnd i un botó de reinici. (El meu convertidor USB-sèrie no té un pin DTR, de manera que he de restablir l'Arduino manualment.) Va acabar de soldar el connector de programació quan es va acabar el projecte.

Per protegir l’electrònica, vaig fer una tapa amb xapa de poliestirè.

S'adjunten fitxers per al circuit en format EasyPC.

Pas 7: desenvolupament futur

Podria ser bo produir corbes per a altres components, però quins? No tinc clar quina informació addicional em diria la corba d’un tiristor o triac que pot fer el provador LCR-T4. El provador LCR-T4 es pot utilitzar fins i tot amb optoaïlladors. Mai he fet servir un MOSFET d’esgotament, un JFET de millora o un transistor de unifunció i no en tinc cap. Suposo que el traçador de corbes podria tractar un IGBT com un MOSFET.

Estaria bé que el traçador de corba pogués reconèixer automàticament un component i dir quin pin és quin. L’ideal seria que continués produint les corbes. Malauradament, la manera com es condueixen i mesuren els pins DUT, això requeriria molts components addicionals i complexitat.

Una solució més senzilla és copiar el circuit de proves LCR-T4 existent (és de codi obert i molt senzill) amb un segon processador Atmega. Amplieu el sòcol ZIF a 16 pins per donar tres pins addicionals als quals es pot connectar el component desconegut. El nou Atmega actua com a esclau al bus SPI i informa al principal Arduino Mini del que veu. (Els esbossos SPI esclaus estan disponibles al web.) El programari del provador LCR-T4 està disponible i sembla que està ben documentat. Allà no hi ha res intrínsecament difícil.

L'Arduino principal mostra el tipus de component i un diagrama de com connectar el component a la part del traçador de corbes del sòcol ZIF.

He adjuntat un disseny de muntatge superficial que es pot utilitzar amb un Arduino ProMini o amb un Atmega328p nu (en format EasyPC). Si hi ha prou demanda (i comandes amb diners), podria produir un lot de PCB SM. Podríeu comprar-ne un de preparat? Doncs sí, és clar, però el preu seria una tonteria. L’avantatge de tractar amb la Xina és que es poden comprar tants mòduls electrònics enginyosos tan barats. L’inconvenient és que no val la pena desenvolupar res: si és un èxit, es clonarà. Encara que sigui agradable aquest traçador de corbes, no ho veig com una oportunitat de negoci viable.