Transistor Curve Tracer: 7 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Jeg har alltid ønsket meg en transistorkurve. Det er den beste måten å forstå hva en enhet gjør. Etter å ha bygget og brukt denne, forstår jeg endelig forskjellen mellom de forskjellige smakene av FET.

Det er nyttig for

• matchende transistorer
• måle forsterkningen av bipolare transistorer
• måle terskelen til MOSFET
• måling av cutoff for JFETs
• måling av forspenningen til dioder
• måling av nedbrytningsspenningen til Zeners
• og så videre.

Jeg ble veldig imponert da jeg kjøpte en av de fantastiske LCR-T4-testerne av Markus Frejek og andre, men jeg ville at den skulle fortelle meg mer om komponentene, så jeg begynte å designe min egen tester.

Jeg begynte med å bruke den samme skjermen som LCR-T4, men den har ikke høy nok oppløsning, så jeg byttet til en 320 x 240 2,8 LCD-skjerm. Det er en berøringsskjerm i farger som er hyggelig. en Arduino Pro Mini 5V Atmega328p 16MHz og drives av 4 AA -celler.

Trinn 1: Slik bruker du den

Når du slår på kurvesporingen, vises hovedmenyskjermen.

Velg enhetstype ved å trykke på en av "PNP NPN", "MOSFET" eller "JFET". Du kan teste dioder i "PNP NPN" -modus.

Sett enheten under test (DUT) i ZIF -kontakten. Menyskjermen viser hvilke pins du skal bruke. PNPer, p-kanal MOSFETS og n-kanal JFETS går i venstre side av kontakten. NPN, n-kanal MOSFETS og p-kanal JFETS går på høyre side av kontakten. Lukk ZIF -kontakten.

Etter et par sekunder vil testeren innse at den har en komponent og begynne å tegne kurvene.

For en PNP- eller NPN -transistor viser den Vce (spenningen mellom kollektoren og emitteren) kontra strømmen som strømmer inn i kollektoren. Det trekkes en linje for hver forskjellige basestrøm - f.eks. 0uA, 50uA, 100uA, etc. Forsterkningen til transistoren vises øverst på skjermen.

For en MOSFET plotter den Vds (spenningen mellom avløpet og kilden) kontra strømmen som strømmer inn i avløpet. Det tegnes en linje for hver forskjellige portspenning - 0V, 1V, 2V, etc. Påslagsterskelen for FET vises øverst på skjermen.

For en JFET plotter den Vds (spenningen mellom avløpet og kilden) kontra strømmen som strømmer inn i avløpet. Det tegnes en linje for hver forskjellige portspenning - 0V, 1V, 2V, etc. Med uttømming av JFET flyter strøm når portspenningen er lik kildespenningen. Etter hvert som portspenningen endres til å være lenger fra avløpsspenningen, slås JFET av. Avgrensningsterskelen for FET vises øverst på skjermen.

Den mest interessante delen av en MOSFET- eller JFET-kurve er rundt på / av-spenningen pluss eller minus noen hundre mV. I hovedmenyen trykker du på Oppsett -knappen, og skjermbildet Oppsett vises. Du kan velge minimum og maksimal gate spenning: flere kurver vil bli tegnet i den regionen.

For en PNP- eller NPN -transistor lar Setup -skjermen deg velge minimum og maksimal basestrøm

Med dioder kan du se fremoverspenningen og med Zeners, omvendt nedbrytningsspenning. På bildet ovenfor har jeg kombinert kurvene til flere dioder.

Trinn 2: Slik fungerer det

La oss vurdere en NPN -transistor. Vi skal tegne en graf over spenningen mellom kollektoren og emitteren (x-aksen er Vce) kontra strømmen som strømmer inn i kollektoren (y-aksen er Ic). Vi tegner en linje for hver forskjellige basestrøm (Ib) - f.eks. 0uA, 50uA, 100uA, etc.

Emitteren til NPN er koblet til 0V og kollektoren er koblet til en 100ohm "belastningsmotstand" og deretter til en spenning som sakte øker. En DAC kontrollert av Arduino feier den testspenningen fra 0V til 12V (eller til strømmen gjennom lastmotstanden når 50mA). Arduino måler spenningen mellom kollektoren og emitteren og spenningen over lastmotstanden og tegner en graf.

Dette gjentas for hver basestrøm. Basestrømmen genereres av en andre 0V-til-12V DAC og en 27k motstand. DAC produserer 0V, 1,35V (50uA), 2,7V (100uA), 4,05V (150uA), etc. (Egentlig må spenningen være litt høyere på grunn av Vbe - antatt å være 0,7V.)

For en PNP -transistor er emitteren koblet til 12V og kollektoren er koblet til en 100ohm belastningsmotstand og deretter til en spenning som sakte avtar fra 12V til 0V. Basestrømmen DAC går ned fra 12V.

En MOSFET for forbedring av n-kanaler ligner en NPN. Kilden er koblet til 0V, lastmotstanden er koblet til avløpet og til en spenning som feier fra 0V til 12V. DAC -en som styrte basestrømmen styrer nå portspenningen og trinnene 0V, 1V, 2V, etc.

En p-kanal forbedring MOSFET ligner en PNP. Kilden er koblet til 12V, lastmotstanden er koblet til avløpet og til en spenning som feier fra 12V til 0V. Portspenningen trinn 12V, 11V, 10V, etc.

En JFET for tømming av n-kanaler er litt vanskeligere. Du vil normalt forestille deg kilden som er koblet til 0V, avløpet koblet til en varierende positiv spenning og porten koblet til en varierende negativ spenning. En JFET leder og slås normalt av med en negativ grensespenning.

Kurvesporeren kan ikke generere negative spenninger, så n-JFET-avløpet er koblet til 12V, kilden er koblet til en 100ohm belastningsmotstand og deretter til en spenning som sakte avtar fra 12V til 0V. Vi vil at Vgs (portkildespenningen) skal gå fra 0V, -1V, -2V, etc. Vi vil at Vgs skal forbli konstant ettersom Vds (avløpskildespenningen) varierer. Så Arduino setter spenningen på lastmotstanden og justerer deretter grensespenningen DAC til Vgs er den nødvendige verdien. Den setter deretter en ny spenning på lastmotstanden og justerer igjen grensespenningen, etc.

(Kurvesporeren kan ikke måle spenningen som tilføres porten, men den vet hva den har fått beskjed om for DAC å gjøre, og det er nøyaktig nok. Selvfølgelig måler dette bare den negative gate-delen av JFET-responsen; hvis du vil se den positive portdelen, behandle den som en MOSFET.)

En p-kanal uttømming JFET behandles på samme måte, men 0 til 12V verdiene er alle inverterte.

(Kurvesporeren omhandler ikke spesifikt uttømming av MOSFET -er eller forbedrings -JFET -er, men du kan behandle dem som uttømmende JFET -er og forbedrings -MOSFET -er.)

Når den har fullført grafen, beregner kurvesporeren forsterkning, terskel eller avskjæring av transistoren.

For bipolare transistorer ser Arduino på gjennomsnittlig avstand mellom kurvens horisontale linjer. Når den tegner kurven for basestrøm, noterer den kollektorstrømmen når Vce er lik 2V. Endringen i kollektorstrøm divideres med endringen i basestrøm for å gi gevinsten. Gevinsten av en bipolar er et vagt konsept. Det kommer an på hvordan du måler det. Ingen to fabrikater av multimeter vil gi det samme svaret. Vanligvis er alt du spør om "gevinsten høy?" eller "er disse to transistorene de samme?".

For MOSFET måler Arduino terskelgrensen. Den setter belastningsspenningen til 6V og øker Vgs gradvis til strømmen gjennom lasten overstiger 5mA.

For JFET måler Arduino avbruddsspenningen. Den setter belastningsspenningen til 6V og øker gradvis (negativ) Vgs til strømmen gjennom lasten er mindre enn 1mA.

Trinn 3: Kretsen

Her er en kort beskrivelse av kretsen. En mer fullstendig beskrivelse er i den vedlagte RTF -filen.

Kurvesporeren trenger tre spenninger:

• 5V for Arduino
• 3,3V for LCD -skjermen
• 12V for testkretsen

Kretsen må konvertere lage disse forskjellige spenningene fra de 4 AA -cellene.

Arduino er koblet til en 2-kanals DAC for å produsere de forskjellige testspenningene. (Jeg prøvde å bruke Arduino PWM som DAC, men det var for mye støy.)

DAC produserer spenninger i området 0V til 4,096V. Disse konverteres til 0V til 12V av op-ampere. Jeg kunne ikke finne noen gjennomgående hull-til-skinne op-forsterkere som kan kilde/synke 50mA, så jeg brukte en LM358. Utgangen til en LM358 op-amp kan ikke gå høyere enn 1,5V under forsyningsspenningen (dvs. 10,5V). Men vi trenger hele området på 0-12V.

Så vi bruker en NPN som en åpen kollektoromformer for utgangen fra op-amp.

Fordelen er at denne hjemmelagde "open-collector op-amp" -utgangen kan gå helt opp til 12V. Tilbakemeldingsmotstander rundt op-forsterkeren forsterker 0V til 4V fra DAC til 0V til 12V.

Spenningene ved Device-Under-Test (DUT) varierer mellom 0V og 12V. Arduino ADC er begrenset til 0V til 5V. Potensielle skillere gjør konverteringen.

Mellom Arduino og LCD er potensielle skillelinjer som faller 5V til 3V. LCD, berøringsskjerm og DAC styres av SPI -bussen.

Kurvesporeren drives av 4 AA -celler som gir 6,5V når den er ny og kan brukes ned til rundt 5,3V.

6V fra cellene faller til 5V med en veldig lav frafallsregulator - en HT7550 (hvis du ikke har en så er en 5V zener og en 22ohm motstand ikke så mye verre). Det nåværende forbruket til 5V -forsyningen er rundt 26mA.

6V fra cellene faller til 3,3V med en regulator for lavt frafall - HT7533. Det nåværende forbruket til 3.3V forsyningen er rundt 42mA. (En standard 78L33 ville fungere, men den har et 2V frafall, så du må kaste AA -cellene dine før.)

6V fra cellene økes til 12V med en SMPS (Switched Mode Power Supply). Jeg kjøpte ganske enkelt en modul fra eBay. Jeg hadde store problemer med å finne en grei omformer. Poenget er, ikke bruk en XL6009 -omformer, det er en absolutt trussel. Ettersom batteriet går tomt og faller under 4V, blir XL6009 gal og produserer opptil 50V som ville steke alt. Den gode jeg brukte er:

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+til+12V+Step-up+Power+Supply+Boost+Voltage+Regulator+Converter & _from = R40 & rtl13

Den er liten og er omtrent 80% effektiv. Inngangsstrømforbruket er rundt 5mA når du venter på at en DUT skal settes inn, og inntil 160mA når du tegner kurvene.

Etter hvert som AA -cellene er utladet, varierer spenningene, kompenserer programvaren ved å bruke referansespenninger. Arduino måler 12V -forsyningen. Arduino ADC bruker sin "5V" forsyning som en referansespenning, men at "5V" er kalibrert nøyaktig mot Arduinos interne 1.1V referansespenning. DAC har en nøyaktig intern referansespenning.

Jeg liker måten LCR-T4 har en knapp for å slå den på og slår seg av automatisk med en timeout. Dessverre introduserer kretsen et spenningsfall som jeg ikke har råd til når jeg driver fra 4 AA -celler. Selv å redesigne kretsen for å bruke en FET var ikke tilstrekkelig. Så jeg bruker en enkel av/på -bryter.

Trinn 4: Programvaren

Arduino -skissen er vedlagt her. Kompiler og last den opp til Pro Mini på vanlig måte. Det er mange beskrivelser av hvordan du laster opp programmer på nettet og i andre instrukser.

Skissen starter med å tegne hovedmenyen og venter på at du skal sette inn en komponent eller trykke på en av knappene (eller sende en kommando fra PC -en). Den tester for innsetting av komponenter en gang i sekundet.

Den vet at du har satt inn en komponent fordi, med basis-/portspenningen satt til halvveis (DAC = 128) og lastmotstandsspenningen satt til 0V eller 12V, strømmer en strøm på flere mA gjennom en eller annen av lastmotstandene. Den vet når enheten er en diode fordi endring av basis-/portspenningen ikke endrer belastningsstrømmen.

Den tegner deretter de riktige kurvene og slår av basen og laststrømmene. Den tester deretter en gang i sekundet til komponenten er koblet fra. Den vet at komponenten er koblet fra fordi belastningsstrømmen faller til null.

ILI9341 LCD er drevet av mitt eget bibliotek kalt "SimpleILI9341". Biblioteket er vedlagt her. Den har et standard sett med tegningskommandoer som er veldig like alle slike biblioteker. Fordelene i forhold til andre biblioteker er at den fungerer (noen gjør det ikke!), Og den deler SPI -bussen høflig med andre enheter. Noen av de "raske" bibliotekene du kan laste ned, bruker spesielle timing -sløyfer og blir opprørt når andre, kanskje tregere enheter brukes på samme buss. Den er skrevet med vanlig C og har derfor mindre overhead enn noen biblioteker. Et Windows -program er vedlagt som lar deg lage dine egne fonter og ikoner.

Trinn 5: Seriell kommando til PC

Kurvesporeren kan kommunisere med en PC via en seriell lenke (9600bps, 8-bit, ingen paritet). Du trenger en passende USB-til-seriell omformer.

Følgende kommandoer kan sendes fra PC -en til kurvesporeren:

• Kommando 'N': spore kurvene til en NPN -transistor.
• Kommando 'P': spor kurvene til en PNP -transistor.
• Kommando 'F': spor kurvene til en n-MOSFET.
• Kommando 'f': spor kurvene til en p-MOSFET.
• Kommando 'J': spor kurvene til en n-JFET.
• Kommando 'j': spor kurvene til en p-JFET.
• Kommando 'D': Spor kurvene til en diode på NPN -siden av kontakten.
• Kommando 'd': spor kurvene til en diode på PNP -siden av kontakten.
• Kommando 'A' nn: sett DAC-A til verdien nn (nn er en enkelt byte) og returner deretter en 'A' til PCen. DAC-A styrer belastningsspenningen.
• Kommando 'B' nn: sett DAC-A til verdien nn, og returner deretter en 'B' til PCen. DAC-B styrer basen/portspenningen.
• Kommando 'X': send ADC -verdier kontinuerlig tilbake til PCen.
• Kommando 'M': vis hovedmenyen.

Når kurvene spores etter en av kommandoene, overføres resultatene av kurven tilbake til PC -en. Formatet er:

• "n": start et nytt tomt, tegn aksene osv.

• "m (x), (y), (b)": flytt pennen til (x), (y).

  • (x) er Vce i heltall mV.
  • (y) er Ic i heltall hundrevis på uA (f.eks. 123 betyr 12,3mA).
  • (b) er grunnstrømmen i heltall uA
  • eller (b) er 50 ganger portspenningen i heltall mV
• "l (x), (y), (b)": trekk en linje til pennen til (x), (y).
• "z": slutten av denne linjen

• "g (g)": slutten av skanningen;

  (g) er forsterkning, terskelspenning (x10) eller sperrespenning (x10)

Verdiene som sendes til PC -en er de rå målte verdiene. Arduino jevner ut verdiene før de tegnes ved å avreraging; du bør gjøre det samme.

Når PC -en sender en "X" -kommando, returneres ADC -verdiene som heltall:

• "x (p), (q), (r), (s), (t), (u)"

  • (p) spenningen ved lastmotstanden til PNP DUT
  • (q) spenningen ved kollektoren til PNP DUT
  • (r) spenningen ved lastmotstanden til NPN DUT
  • (s) spenningen ved kollektoren til NPN DUT
  • (t) spenningen til "12V" -forsyningen
  • (u) spenningen til "5V" -forsyningen i mV

Du kan skrive et PC -program for å teste andre enheter. Sett DACene til å teste spenninger (ved hjelp av kommandoer 'A' og 'B'), og se deretter hva ADC -ene rapporterer.

Kurvesporeren sender bare data til PC -en etter at den har mottatt en kommando da sending av data bremser skanningen. Det tester heller ikke lenger for tilstedeværelse/fravær av en komponent. Den eneste måten å slå av kurvesporeren er å sende en O -kommando (eller å fjerne batteriet).

Et Windows -program er vedlagt som viser sending av kommandoer til kurvesporeren.

Trinn 6: Bygg kurve -sporeren

Her er hovedkomponentene du sannsynligvis må kjøpe:

• Arduino Pro Mini 5V 16MHz Atmel328p (£ 1,30)
• 14 -pins Zif -sokkel (£ 1)
• MCP4802 (£ 2,50)
• HT7533 (£ 1)
• LE33CZ (£ 1)
• IL9341 2,8 "skjerm (£ 6)
• 5V til 12V boost -strømforsyning (£ 1)
• 4xAA cellebatteriholder (0,30 kr)

Søk på eBay eller din favorittleverandør. Det er totalt rundt £ 14.

Jeg har min skjerm her:

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

Og boost SMPS her:

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-til-12V-Step-up-Power-Supply-Boost-Voltage-Regulator-Converter & _from = R40 & rt5 n l1313

De resterende komponentene er ting du sannsynligvis allerede har:

• BC639 (3 av)
• 100nF (7 av)
• 10uF (2 av)
• 1k (2 av)
• 2k2 (5 av)
• 3k3 (5 av)
• 4k7 (1 av)
• 10k (7 av)
• 27k (1 av)
• 33k (8 av)
• 47k (5 av)
• 68k (2 av)
• 100R (2 av)
• Skyvebryter (1 av)
• LM358 (1 av)
• stripboard
• 28-pinners IC-kontakt eller SIL-overskrift
• muttere og bolter

Du trenger de vanlige elektronikkverktøyene - loddejern, kuttere, loddetinn, ulike trådstykker, etc. - og en USB -til -seriell omformer for å programmere Arduino.

Kurvesporet er bygget på stripboard. Hvis du er en sånn person som vil ha en kurvesporing, vet du allerede hvordan du legger ut tavler.

Oppsettet jeg brukte er vist ovenfor. Cyan linjer er kobber på baksiden av stripboard. Røde linjer er lenker på komponentsiden eller er komponentens ekstra lange elektroder. Buede røde linjer er fleksibel tråd. Mørkeblå sirkler er brudd i tavlen.

Jeg bygde den på to brett, hver 3,7 "x 3,4". Ett brett inneholder displayet og testerkretsen; det andre kortet har batteriholderen og 3,3V, 5V og 12V rekvisita. Jeg holdt delene med lav spenning ("5V") og høyspenning ("12V") i testkretsen atskilt med bare motstander av høy verdi som krysset grensen.

De to brettene og displayet danner en tredobbelt sandwich som holdes sammen med M2-skruer. Jeg kuttet lengder på plastrør for å fungere som avstandsstykker, eller du kan bruke kulepennrør, etc.

Jeg koblet bare Arduino Mini -pinnene som jeg trengte, og bare de på sidene (ikke øverst og nederst på Mini PCB). Jeg brukte korte trådlengder i stedet for den vanlige raden med firkantpinner som Arduinos leveres med (pinnene loddet til PCB er firkantet på tegningen). Jeg ville at Arduino skulle være i flukt mot tavlen fordi det ikke er mye høyde under skjermen.

Arduino ProMini pinout er ganske variabel. Pinnene på brettets lange kanter er faste, men pinnene på de korte kantene er forskjellige fra leverandør til leverandør. Oppsettet ovenfor forutsetter et brett med de 6 programmeringspinnene med Gnd ved siden av Raw -pinnen og med DTR ved siden av Tx på langsiden. I den andre enden av brettet er en rad med 5 pinner med 0V ved siden av D9 og A7 ved siden av D10. Ingen av kortsidepinnene er loddet inn i tavlen, slik at du kan bruke løse ledninger hvis ProMini er annerledes.

Bruk en SIL -topptekst for å holde skjermen. Eller kutt en 28-pinners IC-kontakt i to og bruk bitene til å lage en kontakt for skjermen. Lodd de firkantede pinnene som følger med skjermen (eller fulgte med Arduino) inn i skjermen. De er for fete til å koble til en stikkontakt - velg en kontakt som har en "fjærklemme". Noen "fjærklips" -type IC -kontakter kan bare tåle et halvt dusin innsetting/fjerning av LCD -skjermen, så prøv å finne gode i komponentskuffen.

LCD -skjermen inneholder en kontakt for et SD -kort (som jeg ikke brukte). Den er koblet til 4 pinner på kretskortet. Jeg brukte pinnene og et stykke SIL -topptekst eller IC -kontakt for å støtte LCD -skjermen.

Legg merke til at det er noen lenker under ZIF -kontakten. Lodd dem inn før du passer den.

Jeg la til en programmeringskontakt med Tx, Rx, Gnd og en tilbakestillingsknapp. (Min USB-til-serielle omformer har ikke en DTR-pin, så jeg må nullstille Arduino manuelt.) Jeg loddet ut programmeringskontakten da prosjektet var ferdig.

For å beskytte elektronikken lagde jeg et deksel av polystyrenark.

Filer for kretsen i EasyPC -format er vedlagt.

Trinn 7: Fremtidig utvikling

Det kan være fint å produsere kurver for andre komponenter, men hvilke? Det er ikke klart for meg hvilken ekstra informasjon kurven til en tyristor eller triac ville fortelle meg om hva LCR-T4-testeren gjør. LCR-T4-testeren kan til og med brukes med opto-isolatorer. Jeg har aldri brukt en tømming MOSFET eller en forbedring JFET eller en unijunction transistor og eier ikke noen. Jeg antar at kurvesporeren kan behandle en IGBT som en MOSFET.

Det ville være fint hvis kurvesporeren kunne gjenkjenne en komponent automatisk og si hvilken pinne som er hvilken. Ideelt sett vil det fortsette å produsere kurvene. Dessverre vil måten DUT -pinnene blir drevet og målt på, kreve mange ekstra komponenter og kompleksitet.

En enklere løsning er å kopiere den eksisterende LCR-T4 testerkretsen (den er åpen kildekode og veldig enkel) med en andre Atmega-prosessor. Forleng ZIF-kontakten til 16-pinners for å gi tre ekstra pinner som den ukjente komponenten kan plugges inn i. Den nye Atmega fungerer som slave på SPI -bussen og rapporterer til hoved Arduino Mini hva den ser. (SPI-slaveskisser er tilgjengelig på nettet.) Programvaren til LCR-T4-testeren er tilgjengelig og ser godt dokumentert ut. Det er ingenting iboende vanskelig der.

Hoved Arduino viser komponenttypen og et diagram over hvordan du kobler komponenten til kurvesporingsdelen av ZIF -kontakten.

Jeg har vedlagt et overflatemontert oppsett som kan brukes med en Arduino ProMini eller med en naken Atmega328p (i EasyPC-format). Hvis det er tilstrekkelig etterspørsel (og bestillinger med penger) kan jeg produsere et parti SM -PCB. Kan du kjøpe en fra meg ferdig bygget? Vel ja, selvfølgelig, men prisen ville være dum. Fordelen med å håndtere Kina er at så mange fine elektroniske moduler kan kjøpes så billig. Ulempen er at det ikke er verdt å utvikle noe: hvis det er en suksess, vil det bli klonet. Fint som denne kurvesporeren er, jeg ser det ikke som en levedyktig forretningsmulighet.