Questi componenti sono necessari:
Resistori 3,3 kΩ | 4,7 kΩ | 4x 22 kΩ dal kit di resistenze AZ
Condensatore elettrolitico 10 µF dal set di condensatori elettrolitici AZ
2 amplificatori operazionali LM 358
Rivenditore di elettronica
L'idea alla base di questo progetto
Dopo che l'articolo in 6 parti sul TDMM è stato accolto così bene, vorrei usare questo post in 2 parti per mostrarvi come potete usare il TDMM per misurare le caratteristiche dei transistor. Questa conoscenza di base è ancora molto importante per chiunque sviluppi circuiti elettronici, anche se oggi abbiamo milioni di transistor in tasca.
Ci doteremo di alcuni strumenti per effettuare queste misure. Un D1 mini V3 fungerà da generatore di rampe. Un semplice amplificatore di misura ci permetterà di misurare piccole correnti (da 0,000001 A).
Per un processo di misura comodo e controllato da Python, espandiamo la portata funzionale del TDMM con comandi aggiuntivi. Questo è uno dei vantaggi del "Command Processor", che abbiamo installato fin dall'inizio. È molto facile aggiungere ulteriori istruzioni.
Tu Imparare conoscere un programma Python che automatizza i processi di misurazione. Sarete quindi ben equipaggiati per realizzare le vostre misure. Impareremo anche molto sulla comunicazione tra diversi computer tramite USB.
Che cos'è la curva caratteristica di un transistor?
Su Internet si trovano molte informazioni utili al riguardo, ad esempio in Wikipedia o sull'eccellente sito web di Compendio di elettronica. Con il loro gentile permesso, adotto questa grafica e posso essere breve nella mia spiegazione:
Figura 1: Campi_caratteristici_dei_transistor
Un transistor (a destra nella figura) controlla la corrente attraverso il suo percorso collettore-emettitore tramite la corrente di base Ib. La corrente di base del nostro transistor di prova BC 548C è circa 1/600 ... 1/900 della corrente di collettore. L'amplificazione di corrente β corrisponde a 600 ... 900 (valore adimensionale). La scheda tecnica di questo transistor è disponibile qui: BC 548C.
La Figura 1 mostra un transistor npn. Sono indicate le direzioni della corrente. Ic scorre dal polo positivo dell'alimentazione attraverso il collettore e l'emettitore fino a terra.
A sinistra del simbolo del transistor vediamo una compilazione delle quattro caratteristiche tipiche del campo delle curve caratteristiche dei transistor. Analizzeremo tre caratteristiche in modo più dettagliato e le determineremo nella seconda parte.
Caratteristica di controllo
In alto a sinistra, nel 1° quadrante, vediamo il diagramma caratteristico di controllo in una rappresentazione idealizzata. Esso mostra la corrispondente corrente di collettore per ogni corrente di base. La pendenza della linea blu riflette quindi l'amplificazione della corrente β. Una linea ripida indica una β elevata, una linea piatta una β inferiore.
In pratica, non si trova una linea retta così perfetta, ma si trovano ampie zone quasi ideali in cui la corrente di collettore segue esattamente la corrente di base: Ic = Ib * β.
La curva caratteristica di ingresso
Sotto il diagramma caratteristico di controllo, nel 3° quadrante, si trova il diagramma caratteristico di ingresso. Esso mostra la relazione tra la tensione Uessere e la corrente Iessere di nuovo. Forse conoscete già questa caratteristica tipica di un diodo raddrizzatore o di un LED. La tensione Uessere tra la base e l'emettitore deve superare un certo valore per far fluire una corrente misurabile. Per il silicio questa tensione è di circa 0,7 V, per i semiconduttori al germanio di circa 0,3 V.
Il campo della curva caratteristica di uscita
Il secondo quadrante mostra il campo della curva caratteristica di uscita. Abbiamo visto che a un certo valore di Ib a definito Ic appartiene. Ic dipende tuttavia dalla tensione collettore-emettitore, da Uce. Si ottiene così una matrice di curve caratteristiche con una curva caratteristica per ogni valore di Uce. Si può notare a prima vista che il guadagno del transistor varia solo leggermente da Uce dipende. Questo qualifica un transistor con un circuito adatto a funzionare, ad esempio, come sorgente di corrente costante.
Le nostre misure: Quadrante 1 - 3
Limitiamo le nostre misure a questi tre quadranti del campo della curva caratteristica, perché la curva caratteristica di retroazione (quarto quadrante) è di minore importanza pratica.
Struttura dei circuiti di misura
Determiniamo le seguenti curve caratteristiche:
1. Caratteristica di controllo: Ib | Ic
Figura 2: Misura della caratteristica di controllo
A tal fine, misuriamo la corrente di base e la corrente di collettore. La corrente di base fluisce dal generatore di rampa attraverso il resistore R5 da 100k, passando per la base e l'emettitore del transistor fino a terra. Il generatore di rampa fornisce la corrente di base. Per calcolare Ib poniamo l'amplificatore differenziale U3A attraverso il resistore da 100k. Secondo la legge di Ohm, la corrente Ib = UR/R
L'amplificatore differenziale ha ingressi ad altissima impedenza, in modo da non distorcere la misura. UR è la tensione misurata sulla resistenza R (100 kΩ).
Misuriamo la corrente di collettore in modo indiretto. A tal fine, utilizziamo il TDMM direttamente sul collettore del BC 548C per determinare Uce. La tensione di esercizio applicata è di (12 V - Uce) fornisce la tensione attraverso il resistore da 680 Ω, da cui si può calcolare Ic ricevuto immediatamente: Ic = (12 V - Uce) /680 Ω
2. Caratteristica di uscita Uce | Ic
Per questo si misura con la disposizione da 1. A diversi Ib diventa Ic in Dipendenza da Uce determinato.
3. Caratteristica di ingresso Uessere | Ib
Misuriamo la tensione Uessere direttamente alla base del transistor. Anche in questo caso utilizziamo l'amplificatore differenziale per la misurazione della corrente di base.
I nostri strumenti: generatore di rampe PWM e amplificatore differenziale
Utilizziamo questi due gruppi oltre al TDMM:
Il Generatore di rampe PWM converte il segnale PWM proveniente da D1 (pin 5) del mini V3 in una tensione continua stabile. Verificheremo se la tensione continua generata è effettivamente lineare con si alza e si abbassa con il segnale PWM. Ho chiamato il modulo "generatore di rampe" perché di solito viene utilizzato nella pratica per generare segnali a forma di rampa.
Il Amplificatore differenziale è un modulo ampiamente utilizzato nella tecnologia di misura. Come suggerisce il nome, amplifica la differenza di tensione tra gli ingressi "+" e "-". Può funzionare in modalità invertente, cioè invertendo il segnale, o non invertente, come nel nostro caso.
Perché abbiamo bisogno di un amplificatore di questo tipo? Vogliamo misurare la tensione attraverso un resistore da 100 kΩ. Abbiamo quindi bisogno di un dispositivo di misura la cui impedenza di ingresso sia significativamente superiore a 100 kΩ. L'impedenza di ingresso dell'LM358 è di diversi MΩ, del tutto sufficiente per i nostri scopi. Esistono amplificatori operazionali con impedenze di ingresso dell'ordine di GΩ.
All'uscita dell'amplificatore differenziale si ottiene esattamente il segnale presente ai suoi ingressi, ma con una bassa impedenza di uscita e quindi perfettamente misurabile con il TDMM.
Schema del generatore di rampe PWM
Figura 3: Schema del circuito del generatore di rampa
Mi piace costruire circuiti utili che possono essere utilizzati più volte su una striscia di circuito stampato e posizionare un connettore a una o entrambe le estremità. In questo caso ci sono due connettori a 4 pin a ciascuna estremità. Probabilmente avrete già saldato questi connettori alle vostre MCU. Io applico subito l'etichettatura dei pin sulla scheda.
Figura 4: Il generatore di rampe finito
Il circuito è di facile comprensione. L'LM358 contiene due amplificatori operazionali. Il segnale PWM proveniente dal pin 5 del D1 mini V3 raggiunge l'ingresso non invertente dell'U2A attraverso un filtro passa-basso da R1/C1. L'amplificatore operazionale è alimentato a +12 V. Rispetto a GND, quindi, può fornire solo segnali positivi al suo pin di uscita 1.
Il secondo amplificatore operazionale del chip a 8 zampe è collegato alla sua uscita. Funziona come un amplificatore. Il suo guadagno è calcolato da V = 1 +R3/R2. Se impostiamo il potenziometro R3 a zero ohm, l'amplificazione è =1. Se lo impostiamo a 10 kΩ, l'amplificazione è 1 + 10/3,3, ossia circa un fattore 4.
Poiché riceviamo un segnale PWM che corrisponde esattamente a 3,3 V con un duty cycle del 100%, otteniamo una tensione fino a 4 x 3,3 V = 13,2 V sul pin di uscita 7 del secondo amplificatore operazionale. Poiché il nostro circuito non può rappresentare un "perpetuum mobile" - la tensione di uscita non può essere superiore a quella di ingresso - abbiamo bisogno di un guadagno di >3 una tensione di esercizio di 15 V. Anche questo funziona.
Se inviamo un segnale PWM che aumenta gradualmente dallo 0% al 100% del duty cycle, dovremmo ricevere una tensione strettamente proporzionale all'uscita del modulo.
Poiché la nostra misurazione può essere buona solo nella misura in cui i nostri metodi di misurazione e le nostre apparecchiature lo consentono, vogliamo inviare un segnale di rampa dal D1 mini V3 come prima misurazione e vedere cosa ne viene fuori. Lo schizzo corrispondente è stato scritto in due minuti:
Ecco il blocco HTML Inserire "Rampgenerator_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
}
Possiamo seguire il risultato su un oscilloscopio o aumentare il ritardo(10) nel loop e aumentare gli incrementi, ad esempio a 25, in modo da poter seguire alcune misure sul TDMM.
Figura 5: Controllo della linearità
A prima vista, si nota un'eccellente linearità tra il duty cycle (variabile c, colonna di sinistra) e la tensione di uscita. Si ottiene una tensione di uscita media di 26,9 mV "per cifra" con una dispersione di soli 100 µV. Si tratta di un valore molto buono.
Schema circuitale dell'amplificatore differenziale
Figura 6: Schema_del_circuito_dell'amplificatore_differenziale
Questo circuito è più semplice di quello del primo modulo. Utilizzare le resistenze da 22 kΩ del kit di resistenze AZ, anche se qui sono 24 kΩ. Il valore esatto è irrilevante. È importante utilizzare le resistenze all'1% del kit di resistenze. Altrimenti si avrà sempre un segnale di errore all'uscita dell'amplificatore operazionale e quindi un errore sistematico incorporato.
Siamo in grado di gestire una precisione di pochi centesimi. Nell'uso professionale, è importante un preciso bilanciamento dello zero del circuito. Ciò richiede amplificatori operazionali adeguati e circuiti molto più complessi, che non offrono alcun vantaggio per i nostri scopi.
Figura 7: Struttura dell'amplificatore differenziale
Questa foto mostra l'assemblaggio su un piccolo pezzo di circuito stampato. Questa volta ho utilizzato una striscia di connettori a 5 pin e l'ho anche etichettata.
L'"amplificatore" amplifica esattamente 1 : 1, cioè non amplifica affatto. Abbiamo bisogno di una tensione di uscita riferita a terra (GND), che deve essere misurata sulla resistenza di base del nostro circuito, ma il cui segnale di ingresso non è riferito a terra. L'impedenza di ingresso del DUT è molto alta, quella di uscita è molto bassa. Capirete presto perché questo è importante, perché ora esamineremo il circuito di misura vero e proprio.
Configurazione della misura per la determinazione della curva caratteristica
L'impostazione effettiva per le nostre misure è semplice e varia solo in minima parte quando si misurano le diverse curve caratteristiche.
Figura 8: Impostazione della misura
Abbiamo scelto il transistor Q1, un BC548C, come campione di prova. Si tratta di un transistor npn di uso frequente con una piccola amplificazione del segnale nell'intervallo 600 ... 900. La dispersione del campione è considerevole, motivo per cui è opportuno eseguire una misurazione.
Lavoriamo con il cosiddetto "circuito di emettitore". L'emettitore (pin 3) del transistor è collegato a terra, la tensione di esercizio di +12 V tramite la resistenza di lavoro R4 di 680 Ω al collettore (pin 1).
Il segnale del nostro generatore di rampe viene alimentato alla base (pin 2) tramite la resistenza di base R5, piuttosto grande, di 100 kΩ. Il nostro amplificatore differenziale - qui mostrato solo in modo schematico, si intende il circuito completo - amplifica la tensione su R5 attraverso la resistenza, "galleggiando" per così dire. La corrente di base viene calcolata in base a questa tensione e al valore noto della resistenza (I = U/R).
È tutto così semplice, ma è comunque estremamente interessante ciò che si apprende dalle misurazioni, che analizzeremo in dettaglio nel prossimo post del blog.
Utilizzo del TDMM per le misure
Inizialmente abbiamo programmato il TDMM in modo che mostrasse continuamente i valori misurati sul display e inviasse i valori di U, I e R tramite l'interfaccia USB.
Questa funzione si rivela un ostacolo quando effettuiamo le nostre misure sul transistor. Vogliamo dare al transistor una tensione alla base, far scorrere una corrente di base e determinare come amplifica questa corrente nel percorso collettore-emettitore.
Se i valori provengono costantemente dal TDMM in modo non coordinato, non è possibile eseguire un programma di misura. Vogliamo impostare un valore e misurare il risultato. Azione >> Reazione. Ma nessuna misura continua.
Per renderlo possibile, ho aggiunto tre istruzioni al nostro processore di comandi. Questa è sempre stata un'idea del TDMM: poter aggiungere altre istruzioni e altre funzionalità.
Fornisco il codice .ino completo con questo progetto.
Riceviamo queste nuove istruzioni nel TDMM:
così seriale off Nessuna emissione continua di dati
sa seriale attivo Uscita dati corrente attiva
su misura singola U Eseguire la misurazione della tensione individuale e il risultato in uscita
Ora siamo pronti ad effettuare le misure della curva caratteristica di ingresso, della curva caratteristica di uscita e della curva caratteristica di uscita. curva caratteristica di controllo. A tal fine, estendiamo il nostro schizzo per il D1 mini V3 e scriviamo un programma Python per controllare il D1 mini V3 e il TDMM.
Il secondo post del blog tratta in dettaglio le misure e la loro valutazione.
Fino ad allora,
cordiali saluti
Michael Klein
1 commento
Peter
Hallo,
die 22kΩ/24kΩ Widerstände beim Differenzverstärker sind im Vergleich zum 100kΩ Widerstand an dem der Basisstrom gemessen werden viel zu klein und beeinflussen den Messwert, da sie faktisch wie ein 44kΩ/48kΩ Parallelwiderstand zum 100kΩ Widerstand an der Basis wirken.