Deze onderdelen zijn vereist:

D1 mini V3

Weerstanden 3,3 kΩ | 4,7 kΩ | 4x 22 kΩ uit de AZ weerstandenkit

Elektrolytische condensator 10 µF uit de AZ-serie elektrolytische condensatoren

Potentiometer 10 kΩ

Broodplank

Boordset

Kabels aansluiten

2 operationele versterkers LM 358                     

Verkoper van elektronica

TDMM meetapparaat

 

Het idee achter dit project

 

Nadat het 6-delige artikel over de TDMM zo goed ontvangen was, wil ik in deze 2-delige blogpost laten zien hoe je de TDMM kunt gebruiken om transistorkarakteristieken te meten. Deze basiskennis is nog steeds erg belangrijk voor iedereen die elektronische schakelingen ontwikkelt, ook al hebben we tegenwoordig miljoenen transistors op zak.

 

We zullen onszelf uitrusten met wat gereedschap om deze metingen uit te voeren. Een D1 mini V3 zal dienst doen als rampgenerator. Met een eenvoudige meetversterker kunnen we kleine stromen meten (vanaf 0,000001 A).

 

Voor een handig, Python-gestuurd meetproces breiden we de functionele scope van de TDMM uit met extra commando's. Dit is een van de voordelen van de "Command Processor", die we vanaf het begin hebben geïnstalleerd. Het maakt het heel eenvoudig om verdere instructies toe te voegen.

 

U Leer maak je kennis met een Python-programma dat meetprocessen automatiseert. Je zult dan goed uitgerust zijn om je eigen metingen te realiseren. We zullen ook veel leren over communicatie tussen verschillende computers via USB.

 

Wat is een transistorkarakteristiek?

 

Hierover is veel goede informatie te vinden op internet, bijvoorbeeld in Wikipedia of op de uitstekende website van Elektronica-compendium.  Met hun vriendelijke toestemming neem ik deze afbeelding over en kan ik kort zijn in mijn uitleg:

 

Figuur 1: Transistor_kenmerken_velden

 

Een transistor (rechts in de afbeelding) regelt de stroom door het collector-emitterpad via de basisstroom I_b. De basisstroom van onze testtransistor van het type BC 548C is ongeveer 1/600 ... 1/900 van de collectorstroom. De stroomversterking β komt overeen met 600 ... 900 (dimensieloze waarde).  Je kunt hier een gegevensblad voor deze transistor vinden: BC 548C.

 

Figuur 1 toont een npn-transistor. De stroomrichtingen zijn weergegeven. I_c stroomt van de positieve pool van de voeding door de collector via de emitter naar aarde.

 

Links van het transistorsymbool zien we een compilatie van de vier typische kenmerken van het transistorkarakteristiekveld. We zullen drie karakteristieken nader analyseren en bepalen in deel 2.

Controlekenmerk

Linksboven in het 1e kwadrant zien we de stuurkarakteristiek in een geïdealiseerde weergave. Het toont de corresponderende collectorstroom voor elke basisstroom. Het verloop van de blauwe lijn geeft dus de stroomversterking β weer. Een steile lijn toont een hoge β, een vlakke lijn een lagere β.

In de praktijk vinden we niet zo'n vlekkeloze rechte lijn, maar we vinden wel grote, bijna ideale gebieden waarin de collectorstroom de basisstroom precies volgt: I_c = I_b * β.

 

De ingangskarakteristiek

Onder het stuurkarakteristiek diagram in het 3e kwadrant zie je het ingangskarakteristiek diagram. Het toont de relatie tussen de spanning U_zijn en de stroom I_zijn weer. Je kent dit misschien al als de typische voorwaartse karakteristiek van een gelijkrichterdiode of LED. De spanning U_zijn tussen de basis en emitter moet een bepaalde waarde overschrijden om een meetbare stroom te laten vloeien. Voor silicium ligt deze spanning rond 0,7 V, voor germaniumhalfgeleiders rond 0,3 V.

 

Het veld van de uitgangskarakteristiek

Het 2e kwadrant toont het veld van de uitgangskarakteristiek. We hebben gezien dat bij een bepaalde I_b een gedefinieerde I_c hoort. I_c hangt echter af van de collector-emitterspanning, van U_ce. Dit resulteert in een karakteristieke curve-array met een karakteristieke curve voor elke waarde van U_ce. Op het eerste gezicht kun je zien dat de versterking van de transistor slechts licht varieert van U_ce afhangt. Dit kwalificeert een transistor met geschikte schakelingen voor bijvoorbeeld gebruik als constante stroombron.

 

Onze metingen: Kwadrant 1 - 3

We beperken onze metingen tot deze drie kwadranten van het karakteristieke krommingsveld omdat de feedbackkarakteristiek (4e kwadrant) van minder praktisch belang is.

 

Structuur van de meetcircuits

 

We bepalen de volgende karakteristieke krommen:

1.     Controlekarakteristiek: I_b | I_c

 

Figuur 2: Meting van de controlekarakteristiek

 

Hiervoor meten we de basisstroom en de collectorstroom. De basisstroom loopt van de rampgenerator door de 100k-weerstand R5 via de basis en de emitter van de transistor naar aarde. De rampgenerator levert de basisstroom. Om I_b plaatsen we de verschilversterker U3A over de weerstand van 100k. Volgens de wet van Ohm is de stroom I_b  = U_R/R

De verschilversterker heeft ingangen met een zeer hoge impedantie, zodat de meting nauwelijks wordt verstoord. U_R de gemeten spanning bij weerstand R (100 kΩ).

 

We meten de collectorstroom indirect. Hiervoor gebruiken we de TDMM direct op de collector van de BC 548C om U_ce. De toegepaste bedrijfsspanning van (12 V - U_ce) geeft de spanning over de weerstand van 680 Ω, waaruit we I_c onmiddellijk ontvangen: I_c = (12 V - U_ce) /680 Ω

2.     Uitgangskarakteristiek U_ce | I_c

Hiervoor meten we met de opstelling uit 1. Bij verschillende I_b wordt I_{c i}n Afhankelijkheid van U_ce bepaald_.

3.     Ingangskarakteristiek U_zijn | I_b

We meten de spanning U_zijn direct aan de basis van de transistor. We gebruiken hier ook de verschilversterker voor de basisstroommeting.

 

Ons gereedschap: PWM-rampgenerator en verschilversterker

 

We gebruiken deze twee assemblages naast de TDMM:

 

De PWM ramp generator zet het PWM-signaal van D1 (pen 5) van de D1 mini V3 om in een stabiele gelijkspanning. We zullen controleren of de gegenereerde gelijkspanning daadwerkelijk lineair is met  stijgt en daalt met het PWM-signaal.  Ik heb de module een "ramp generator" genoemd omdat hij in de praktijk meestal gebruikt wordt om ramp-vormige signalen te genereren.

 

De Differentiële versterker is een module die veel wordt gebruikt in de meettechnologie. Zoals de naam al aangeeft, versterkt hij het spanningsverschil tussen de "+" en "-" ingangen. Hij kan inverterend werken, d.w.z. het signaal omkeren, of niet-inverterend, zoals in ons geval.

Waarom hebben we zo'n versterker nodig? We willen de spanning meten over een weerstand van 100 kΩ. Daarom hebben we een meetopstelling nodig waarvan de ingangsimpedantie aanzienlijk hoger is dan 100 kΩ. De ingangsimpedantie van de LM358 is enkele MΩ, wat voor ons doel ruim voldoende is. Er zijn operationele versterkers met ingangsimpedanties in het GΩ-bereik.

 

Aan de uitgang van de verschilversterker krijgen we precies het signaal dat aanwezig is aan de ingangen, maar met een lage uitgangsimpedantie en daarom perfect meetbaar met de TDMM.

 

Schakelschema van de PWM ramp-generator

 

Afbeelding 3: Schakelschema van de hellingsgenerator

 

Ik bouw graag nuttige schakelingen die steeds opnieuw kunnen worden gebruikt op een strook printplaat en plaats een connector aan een of beide uiteinden. In dit geval zijn er twee 4-pins headers aan elk uiteinde. Je hebt deze headers waarschijnlijk al eerder aan je MCU's gesoldeerd. Ik plak de pintekening meteen op de printplaat.

 

Afbeelding 4: De voltooide hellingsgenerator

 De schakeling zelf is eenvoudig te begrijpen. De LM358 bevat twee operationele versterkers. Het PWM-signaal van pen 5 van de D1 mini V3 bereikt de niet-inverterende ingang van de U2A via een laagdoorlaatfilter van R1/C1. De operationele versterker wordt gevoed met +12 V. Ten opzichte van GND kan hij daarom alleen positieve signalen leveren op zijn uitgangspen 1.

De tweede operationele versterker van de 8-potige chip is aangesloten op de uitgang. Deze werkt als een versterker. De versterking wordt berekend uit V = 1 +R3/R2. Als we de potentiometer R3 op nul ohm zetten, is de versterking =1. Als we deze op 10 kΩ zetten, is de versterking 1 + 10/3.3, oftewel ongeveer factor 4.

Omdat we een PWM-signaal ontvangen dat precies overeenkomt met 3,3 V bij een duty cycle van 100%, krijgen we een spanning van maximaal 4 x 3,3 V = 13,2 V op uitgangspen 7 van de 2e operationele versterker.  Omdat onze schakeling geen "perpetuum mobile" kan voorstellen - de uitgangsspanning kan niet hoger zijn dan de ingangsspanning - hebben we een versterking van >3 nodig.  een bedrijfsspanning van 15 V. Dan werkt dit ook.

Als we een PWM-signaal sturen dat geleidelijk toeneemt van 0% naar 100% duty cycle, zouden we een strikt proportionele spanning moeten ontvangen aan de uitgang van de module.

Omdat onze meting alleen zo goed kan zijn als onze meetmethoden en apparatuur toelaten, willen we als eerste meting een ramp-signaal uit de D1 mini V3 sturen en kijken wat daaruit komt. De bijbehorende schets is in twee minuten geschreven:

 

            Hier is het HTML-blok  "Rampgenerator_Test" invoegen

 

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

}

We kunnen het resultaat volgen op een oscilloscoop of we kunnen de vertraging(10) in de lus verhogen en de stappen verhogen, bijvoorbeeld naar 25, zodat we een paar metingen op de TDMM kunnen volgen.

 

Afbeelding 5: Lineariteitscontrole

 

Op het eerste gezicht zie je een uitstekende lineariteit tussen de duty cycle (variabele c, linkerkolom) en de uitgangsspanning. We verkrijgen een gemiddelde uitgangsspanning van 26,9 mV "per cijfer" met een spreiding van slechts 100 µV. Dit is een zeer goede waarde.

Schakelschema van de verschilversterker

 

Afbeelding 6:  Schakelschema_van_de_differentiële_versterker

 

Deze schakeling is eenvoudiger dan bij de eerste module. Gebruik de 22 kΩ weerstanden uit de AZ Weerstandskit, ook al is het hier 24 kΩ. De exacte waarde is irrelevant. Het is belangrijk dat je de 1% weerstanden uit de weerstandenkit gebruikt. Anders heb je altijd een foutsignaal aan de uitgang van de operationele versterker en dus een ingebouwde systematische fout.

We kunnen een nauwkeurigheid van enkele procenten halen. Bij professioneel gebruik is een nauwkeurige nulstelling van het circuit belangrijk. Dit vereist geschikte operationele versterkers en veel complexere schakelingen, die voor onze doeleinden geen voordeel bieden.

 

Afbeelding 7:  Structuur van de verschilversterker

 

Deze foto toont de assemblage op een klein stukje printplaat. Deze keer heb ik een 5-pins connectorstrip gebruikt en ook gelabeld.

 

De "versterker" versterkt precies 1 : 1 - dus helemaal niet. Wat we nodig hebben is een uitgangsspanning gerefereerd aan massa (GND), die gemeten moet worden aan de basisweerstand van onze schakeling, maar waarvan het ingangssignaal niet gerefereerd is aan massa. De ingangsimpedantie bij de DUT is erg hoog, de uitgangsimpedantie is erg laag. Je zult snel begrijpen waarom dit belangrijk is, want we gaan nu het eigenlijke meetcircuit bekijken.

 

Meetopstelling voor het bepalen van de karakteristieke curve

 

De feitelijke opstelling voor onze metingen is eenvoudig en varieert slechts minimaal bij het meten van de verschillende karakteristieken.

 

Afbeelding 8: Meetopstelling

 

We hebben transistor Q1, een BC548C, gekozen als testobject. Het is een veelgebruikte npn-transistor met een kleine signaalversterking in het bereik van 600 ... 900. De monsterverstrooiing is aanzienlijk, daarom is een meting een goed idee.

We werken met de zogenaamde "emitterschakeling". De emitter (pen 3) van de transistor is verbonden met massa, de bedrijfsspanning van +12 V via de werkweerstand R4 van 680 Ω aan de collector (pen 1).

Het signaal van onze rampgenerator wordt via de vrij grote basisweerstand R5 van 100 kΩ aan de basis (pen 2) toegevoerd. Onze verschilversterker - hier alleen schematisch weergegeven, het volledige circuit wordt bedoeld - versterkt de spanning op R5 via de weerstand, als het ware "zwevend". De basisstroom wordt berekend uit deze spanning en de bekende weerstandswaarde (I = U/R).

 

Het is allemaal zo eenvoudig, maar het is nog steeds buitengewoon interessant wat we leren van de metingen, die we in detail zullen bespreken in de volgende blogpost.

 

Gebruik van de TDMM voor de metingen

 

We hebben de TDMM oorspronkelijk zo geprogrammeerd dat hij continu meetwaarden op het scherm toont en waarden voor U, I en R verstuurt via de USB-interface.

 

Deze functie blijkt een belemmering te zijn wanneer we onze metingen aan de transistor uitvoeren. We willen de transistor een spanning geven aan de basis, een basisstroom laten lopen en bepalen hoe de transistor deze stroom versterkt in het collector-emitterpad.

 

Als er constant waarden ongecoördineerd uit de TDMM komen, is het niet mogelijk om een meetprogramma uit te voeren. We willen een waarde instellen en het resultaat meten. Actie >> Reactie. Maar geen continue meting.

Om dit mogelijk te maken heb ik drie instructies toegevoegd aan onze commandoprocessor. Dat is altijd een idee geweest van de TDMM: om meer instructies en meer mogelijkheden toe te kunnen voegen.

Ik lever de volledige .ino code bij dit project.

We ontvangen deze nieuwe instructies in de TDMM:

dus        serieel uit                     Geen continue gegevensuitvoer meer

sa        serieel actief                Huidige gegevensuitgang actief

su        enkele U-maatregel      Individuele spanningsmeting en uitvoerresultaat uitvoeren

 

We zijn nu klaar om de metingen van de ingangskarakteristiek, uitgangskarakteristiek en  regelkarakteristiek. Hiervoor breiden we onze schets uit voor de D1 mini V3 en schrijven we een Python-programma om de D1 mini V3 en de TDMM aan te sturen.

 

De tweede blogpost gaat in detail in op de metingen en hun evaluatie.

 

Tot dan,

vriendelijke groeten

Michael Klein