Ces composants sont nécessaires :

D1 mini V3

Résistances 3,3 kΩ | 4,7 kΩ | 4x 22 kΩ du AZ Resistor Kit

Condensateur électrolytique 10 µF de l'AZ Electrolytic Capacitor Set

Potentiomètre 10 kΩ

Carte mère

Kit de platines

Cordons de raccordement

2 LM 358 Amplificateur opérationnel                     

Magasins d'électronique spécialisés

Appareil de mesure TDMM

 

L'idée de ce projet

 

Après l'excellent accueil réservé à l'article en 6 parties sur le TDMM, j'ai décidé de consacrer cet article en 2 parties à l'utilisation du TDMM pour mesurer les caractéristiques des transistors. Ces connaissances de base sont toujours aussi importantes pour tous ceux qui développent des circuits électroniques, même si nous avons aujourd'hui des millions de transistors dans notre poche.

 

Nous nous équiperons de quelques outils pour effectuer ces mesures. Un D1 mini V3 fera office de générateur de rampe. Un simple amplificateur de mesure nous permettra de mesurer des courants faibles (à partir de 0,000001 A).

 

Pour un déroulement confortable des mesures, commandé par Python, nous élargissons l'étendue des fonctions du TDMM avec d'autres commandes. C'est l'un des avantages du "processeur de commandes" que nous avons installé dès le début. Il est ainsi très facile d'ajouter des instructions supplémentaires.

 

Elle apprendre connaître un programme Python qui automatise les processus de mesure. Vous serez ainsi bien équipé pour réaliser vos propres mesures. En outre, nous apprenons beaucoup sur la communication entre plusieurs ordinateurs via USB.

 

Qu'est-ce qu'une caractéristique de transistor ?

 

Il y a beaucoup de bonnes informations à ce sujet sur le web, par exemple dans Wikipedia ou encore sur l'excellent site de Compendium électronique.  Avec leur aimable autorisation, je reprends ce graphique et me permets d'être bref dans mes explications :

 

Figure 1 : Champs de caractéristiques des transistors

 

Un transistor (à droite sur la figure) contrôle le courant à travers son trajet collecteur-émetteur via le courant de base I_b. Pour notre transistor expérimental de type BC 548C, le courant de base est d'environ 1/600 ... 1/900 du courant du collecteur. Le gain de courant β correspond à 600 ... 900 (valeur sans dimension).  Vous trouverez une fiche technique de ce transistor ici : BC 548C.

 

La figure 1 montre un transistor npn. Les directions du courant sont indiquées. I_c circule du pôle positif de l'alimentation à la masse en passant par le collecteur et l'émetteur.

 

À gauche du symbole du transistor, nous voyons une compilation des quatre courbes caractéristiques typiques du champ de caractéristiques du transistor. Nous allons examiner trois caractéristiques plus en détail et les déterminer dans la deuxième partie.

Caractéristique de commande

Tout en haut à gauche, dans le premier quadrant, nous voyons le champ des caractéristiques de commande dans une représentation idéalisée. Il montre pour chaque courant de base le courant de collecteur correspondant. La pente de la ligne bleue reflète donc le gain de courant β. Une ligne raide indique un β élevé, une ligne plate un β plus faible.

Dans la pratique, nous ne trouvons pas de ligne droite aussi impeccable, mais de grandes zones presque idéales dans lesquelles le courant du collecteur suit exactement le courant de base : I_c = I_b * β.

 

La caractéristique d'entrée

En dessous de la courbe de commande dans le 3e quadrant, vous reconnaissez la courbe d'entrée. Il indique la relation entre la tension U_be et le courant I_be de nouveau. Vous connaissez peut-être déjà ce phénomène en tant que caractéristique de conduction typique d'une diode de redressement ou d'une LED. La tension U_be entre la base et l'émetteur doit dépasser une certaine valeur pour qu'un courant mesurable circule. Dans le cas du silicium, cette tension est d'environ 0,7 V, dans le cas des semi-conducteurs au germanium, elle est d'environ 0,3 V.

 

Le champ de caractéristiques de sortie

Le 2e quadrant montre la courbe caractéristique de sortie. Nous avions vu qu'à un certain I_b un I défini_c appartient. I_c dépend cependant de la tension collecteur-émetteur, de U_ce. On obtient ainsi un ensemble de courbes caractéristiques avec une courbe caractéristique pour chaque valeur de U_ce. On constate au premier coup d'œil que le gain du transistor ne varie que très peu de U_ce dépend de la tension. Cela qualifie un transistor avec un câblage approprié, par exemple pour fonctionner comme source de courant constant.

 

Nos mesures : Quadrant 1 - 3

Nous limitons nos mesures à ces trois quadrants de la courbe caractéristique, car la courbe caractéristique de rétroaction (4e quadrant) a moins d'importance pratique.

 

Structure des circuits de mesure

 

Nous déterminons les courbes caractéristiques suivantes :

1.     Caractéristique de commande : I_b | I_c

 

Figure 2 : Mesure de la caractéristique de commande

 

Pour cela, nous mesurons le courant de base et le courant de collecteur. Le courant de base circule du générateur de rampe à la masse en passant par la résistance R5 de 100 k, la base et l'émetteur du transistor. Le générateur de rampe fournit le courant de base. Pour obtenir I_b nous plaçons l'amplificateur différentiel U3A au-dessus de la résistance de 100k. Selon la loi d'Ohm, le courant I_b  = U_R/R

L'amplificateur différentiel a des entrées à très haute impédance, de sorte qu'il ne fausse pratiquement pas la mesure. U_R est la tension mesurée aux bornes de la résistance R (100 kΩ).

 

Nous mesurons le courant du collecteur indirectement. Pour cela, nous déterminons avec le TDMM directement sur le collecteur du BC 548C U_ce. La tension de fonctionnement appliquée de (12 V - U_ce) donne la tension aux bornes de la résistance 680 Ω, à partir de laquelle nous obtenons I_c reçu immédiatement : I_c = (12 V - U_ce) /680 Ω

2.     Courbe caractéristique de sortie U_ce | I_c

Pour cela, nous mesurons avec le dispositif du point 1. Pour différents I_b sera I_{c i}n Dépendance de U_ce déterminé_.

3.     Caractéristique d'entrée U_be | I_b

Nous mesurons la tension U_be directement à la base du transistor. Nous utilisons ici aussi l'amplificateur différentiel pour la mesure du courant de base.

 

Nos outils : générateur de rampe PWM et amplificateur différentiel

 

En plus du TDMM, nous utilisons ces deux ensembles :

 

Le site Générateur de rampe PWM convertit le signal PWM de D1 (broche 5) du D1 mini V3 en une tension continue stable. Nous allons vérifier si la tension continue générée est effectivement linéaire avec  augmente et diminue en fonction du signal PWM.  J'ai appelé ce module "générateur de rampes" parce qu'il est le plus souvent utilisé dans la pratique pour générer des signaux en forme de rampes.

 

Le site Amplificateur différentiel est un module très répandu dans le domaine de la technique de mesure. Comme son nom l'indique, il amplifie la différence de tension entre ses entrées "+" et "-". Il peut être inverseur, c'est-à-dire inverser le signal, ou non inverseur, comme dans notre cas.

Pourquoi a-t-on besoin d'un tel amplificateur ? Nous voulons mesurer la tension aux bornes d'une résistance de 100 kΩ. C'est pourquoi nous avons besoin d'un dispositif de mesure dont l'impédance d'entrée est nettement supérieure à 100 kΩ. L'impédance d'entrée du LM358 est de plusieurs MΩ, ce qui est largement suffisant pour nos besoins. Il existe des amplificateurs opérationnels avec des impédances d'entrée de l'ordre de GΩ.

 

Nous obtenons à la sortie de l'amplificateur différentiel exactement le signal qui se trouve à ses entrées, mais avec une faible impédance de sortie et donc parfaitement mesurable avec le TDMM

 

Schéma de câblage du générateur de rampe PWM

 

Figure 3 : Schéma de câblage du générateur de rampe

 

J'aime construire des circuits utiles qui peuvent être réutilisés à plusieurs reprises sur une bande de circuit imprimé et placer un connecteur à une ou aux deux extrémités. Dans ce cas, il y a deux barrettes de 4 broches à chaque extrémité. Vous avez certainement déjà soudé ces barrettes sur vos MCU à plusieurs reprises. Je colle tout de suite la désignation des broches sur le circuit imprimé.

 

Figure 4 : Le générateur de rampe terminé

 Le circuit lui-même est simple à comprendre. Le LM358 contient deux amplificateurs opérationnels. Le signal PWM de la broche 5 du D1 mini V3 arrive à l'entrée non-inverseuse de l'U2A via un filtre passe-bas de R1/C1. L'amplificateur opérationnel est alimenté en +12 V. Il ne peut donc fournir - par rapport à GND - que des signaux positifs à sa sortie Pin 1.

Le deuxième amplificateur opérationnel de la puce à 8 pattes est connecté à sa sortie. Il fonctionne comme un amplificateur. Son amplification se calcule par V = 1 +R3/R2. Si nous réglons le potentiomètre R3 sur zéro ohm, le gain est =1. S'il est réglé sur 10 kΩ, le gain est 1 + 10/3,3, soit environ un facteur 4.

Comme nous obtenons un signal PWM qui correspond assez précisément à 3,3 V pour un rapport cyclique de 100%, nous obtenons à la sortie de la broche 7 du 2ème amplificateur opérationnel une tension pouvant atteindre 4 x 3,3 V = 13,2 V.  Comme notre circuit ne peut pas représenter un "perpetuum mobile" - la tension de sortie ne peut pas être plus élevée que la tension d'entrée - nous avons besoin, pour une amplification de >3  une tension de fonctionnement de 15 V. Dans ce cas, cela fonctionne également.

Si nous envoyons un signal PWM qui augmente progressivement de 0% à 100% de rapport cyclique (duty cycle), nous devrions obtenir une tension strictement proportionnelle à la sortie du module.

Comme notre mesure ne peut être bonne que dans la mesure où nos méthodes et moyens de mesure le permettent, nous voulons envoyer un signal de rampe du D1 mini V3 comme première mesure et voir ce qu'il en résulte. Le sketch correspondant est écrit en deux minutes :

 

            Voici le bloc HTML  Insérer "Générateur de rampe_Test".

 

int c; // Variable für PWM-Wert

const int pin = 5; // PWM-Pin

 

void setup() {

  pinMode(pin, OUTPUT); // Pin 5 als Ausgang setzen

}

 

void loop() {

  c= 0;

  while (c<256){

    analogWrite(pin, c);

    c++;

    delay(10);

  }

analogWrite(pin, 0); // Spannung = 0, Kondensator entladen

delay(500); // Zeit für Kondensatorentladung

}

Nous pouvons suivre le résultat sur un oscilloscope ou augmenter le delay(10) dans la boucle et agrandir les incréments, par exemple à 25, de manière à pouvoir suivre quelques mesures sur le TDMM.

 

Figure 5 : Contrôle de linéarité

 

Au premier coup d'œil, on constate une excellente linéarité entre le rapport cyclique (variable c, colonne de gauche) et la tension de sortie. Nous obtenons en moyenne 26,9 mV de tension de sortie "par chiffre" avec une dispersion d'à peine 100 µV. C'est une très bonne valeur.

Schéma de câblage de l'amplificateur différentiel

 

Image 6 :  schéma_de_connexion_de_l'amplificateur_de_différence

 

Ce circuit est plus simple que pour le premier module. Veuillez utiliser les résistances de 22 kΩ du kit AZ Resistor, même si elles sont ici de 24 kΩ. La valeur exacte n'a pas d'importance. Ce qui est important, c'est que vous utilisiez les résistances de 1% du kit de résistances. Car sinon, vous aurez toujours un signal d'erreur à la sortie de l'amplificateur opérationnel et donc une erreur systématique intégrée.

On s'accommode ici d'une précision de quelques pour cent. Dans le cadre d'une utilisation professionnelle, on attache de l'importance à une mise à zéro précise du circuit. Pour cela, il faut des amplificateurs opérationnels adaptés et des circuits nettement plus complexes, qui n'offrent aucun avantage pour nos besoins.

 

Image 7 :  Structure de l'amplificateur différentiel

 

Cette photo montre le montage sur un petit morceau de platine. Cette fois-ci, j'ai utilisé un connecteur à 5 pôles et je l'ai également étiqueté.

 

L'"amplificateur" amplifie exactement 1 : 1 - donc pas du tout. Ce dont nous avons besoin, c'est d'une tension de sortie rapportée à la masse (GND), qui doit être mesurée à la résistance de base de notre circuit, mais dont le signal d'entrée n'est pas rapporté à la masse. L'impédance d'entrée sur l'objet à mesurer est très élevée, l'impédance de sortie est très faible. Vous comprendrez tout de suite pourquoi c'est important, car nous allons maintenant examiner le circuit de mesure proprement dit.

 

Montage de mesure pour la détermination des courbes caractéristiques

 

Le montage proprement dit pour nos mesures est simple et ne varie que très peu lors de la mesure des différentes courbes caractéristiques.

 

Image 8 : Structure de mesure

 

Nous avons choisi le transistor Q1, un BC548C, comme objet de test. Il s'agit d'un transistor npn souvent utilisé avec un gain en petits signaux dans la plage 600 ... 900. Les dispersions d'exemplaires sont considérables, c'est pourquoi une mesure s'impose.

Nous travaillons avec ce que l'on appelle le "circuit émetteur". L'émetteur (broche 3) du transistor est relié à la masse, la tension de fonctionnement de +12 V est appliquée au collecteur (broche 1) par l'intermédiaire de la résistance de travail R4 de 680 Ω.

Le signal de notre générateur de rampe est amené à la base (broche 2) via la résistance de base R5 assez grande de 100 kΩ. Au-dessus de la résistance, pour ainsi dire "flottant", notre amplificateur différentiel - représenté ici de manière schématique, il s'agit du circuit complet - amplifie la tension sur R5. Le courant de base est calculé à partir de cette tension et de la valeur connue de la résistance (I = U/R).

 

C'est aussi simple que cela, mais ce que nous apprenons avec les mesures que nous allons examiner en détail dans le prochain article de blog est extrêmement intéressant.

 

Utilisation du TDMM pour les mesures

 

Nous avons initialement programmé le TDMM pour qu'il affiche en permanence des valeurs de mesure sur l'écran et envoie des valeurs pour U, I et R via l'interface USB.

 

Cette fonction s'avère gênante lorsque nous effectuons nos mesures sur le transistor. Nous souhaitons appliquer une tension à la base du transistor, faire circuler un courant de base et déterminer comment il amplifie ce courant dans le trajet collecteur-émetteur.

 

Si des valeurs arrivent constamment - sans coordination - du TDMM, on ne peut pas s'en servir pour faire un programme de mesure. On veut régler une valeur et mesurer le résultat. Action >> réaction. Mais pas de mesure continue.

Pour que cela soit possible, j'ai ajouté trois instructions à notre processeur de commande. Cela a toujours été une idée du TDMM : pouvoir ajouter d'autres instructions, d'autres capacités.

Je fournis le code .ino complet avec ce projet.

Nous recevons ces nouvelles instructions dans le TDMM :

ainsi        série off                     plus de sortie de données en cours

sa        série active                sortie de données en cours active

su        mesure de U simple      effectuer une seule mesure de tension et afficher le résultat

 

Nous sommes maintenant prêts à effectuer les mesures de la courbe caractéristique d'entrée, de la courbe caractéristique de sortie et de la courbe caractéristique d'entrée.  de la courbe de commande. Pour cela, nous étendons notre sketch pour le D1 mini V3 et écrivons un programme Python pour contrôler le D1 mini V3 et le TDMM.

 

Le deuxième article de blog traite en détail des mesures et de leur évaluation.

 

En attendant,

salutations

Michael Klein