Tracer da curva do transistor: 7 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Sempre quis um traçador de curva de transistor. É a melhor maneira de entender o que um dispositivo faz. Tendo construído e usado este, finalmente entendi a diferença entre os vários sabores de FET.

É útil para

• transistores correspondentes
• medindo o ganho de transistores bipolares
• medir o limite de MOSFETs
• medindo o corte de JFETs
• medindo a tensão direta de diodos
• medindo a tensão de ruptura dos Zeners
• e assim por diante.

Fiquei muito impressionado quando comprei um dos maravilhosos testadores LCR-T4 de Markus Frejek e outros, mas queria que me contasse mais sobre os componentes, então comecei a projetar meu próprio testador.

Comecei usando a mesma tela do LCR-T4, mas não tem uma resolução alta o suficiente, então mudei para um LCD 320x240 de 2,8 . Acontece que é uma tela colorida sensível ao toque, o que é bom. O curve tracer funciona um Arduino Pro Mini 5V Atmega328p 16MHz e é alimentado por 4 células AA.

Etapa 1: como usá-lo

Quando você liga o curve tracer, a tela do menu principal é exibida.

Selecione o tipo de dispositivo tocando em "PNP NPN", "MOSFET" ou "JFET". Você pode testar diodos no modo "PNP NPN".

Coloque o dispositivo em teste (DUT) no soquete ZIF. A tela do menu mostra quais pinos usar. PNPs, MOSFETS de canal p e JFETS de canal n vão no lado esquerdo do soquete. NPNs, MOSFETS de canal n e JFETS de canal p vão no lado direito do soquete. Feche o soquete ZIF.

Depois de mais ou menos um segundo, o testador perceberá que há um componente e começará a desenhar as curvas.

Para um transistor PNP ou NPN, ele plota Vce (a tensão entre o coletor e o emissor) versus a corrente que flui para o coletor. Uma linha é desenhada para cada corrente de base diferente - por exemplo, 0uA, 50uA, 100uA, etc. O ganho do transistor é mostrado na parte superior da tela.

Para um MOSFET, ele plota Vds (a tensão entre o dreno e a fonte) versus a corrente fluindo para o dreno. Uma linha é desenhada para cada tensão de porta diferente - 0 V, 1 V, 2 V, etc. O limite de ativação do FET é mostrado na parte superior da tela.

Para um JFET, ele plota Vds (a tensão entre o dreno e a fonte) versus a corrente fluindo para o dreno. Uma linha é desenhada para cada tensão de porta diferente - 0 V, 1 V, 2 V, etc. Com JFETs de depleção, a corrente flui quando a tensão da porta é igual à tensão da fonte. Conforme a tensão da porta é alterada para ficar mais longe da tensão de drenagem, o JFET é desligado. O limite de corte do FET é mostrado na parte superior da tela.

A parte mais interessante de uma curva MOSFET ou JFET é em torno da tensão de ativação ou desativação mais ou menos algumas centenas de mV. No menu principal, toque no botão Configuração e a tela Configuração será exibida. Você pode selecionar a tensão de porta mínima e máxima: mais curvas serão desenhadas nessa região.

Para um transistor PNP ou NPN, a tela de configuração permite que você selecione a corrente de base mínima e máxima

Com diodos, você pode ver a tensão direta e com Zeners, a tensão reversa de ruptura. Na imagem acima, combinei as curvas de vários diodos.

Etapa 2: como funciona

Vamos considerar um transistor NPN. Vamos desenhar um gráfico da tensão entre o coletor e o emissor (o eixo x é Vce) versus a corrente fluindo para o coletor (o eixo y é Ic). Vamos desenhar uma linha para cada corrente de base diferente (Ib) - por exemplo, 0uA, 50uA, 100uA, etc.

O emissor do NPN é conectado a 0 V e o coletor é conectado a um "resistor de carga" de 100 ohm e então a uma tensão que aumenta lentamente. Um DAC controlado pelo Arduino varre essa tensão de teste de 0 V a 12 V (ou até que a corrente através do resistor de carga alcance 50 mA). O Arduino mede a tensão entre o coletor e o emissor e a tensão no resistor de carga e desenha um gráfico.

Isso é repetido para cada corrente de base. A corrente de base é gerada por um segundo DAC de 0V a 12V e um resistor de 27k. O DAC produz 0 V, 1,35 V (50 uA), 2,7 V (100 uA), 4,05 V (150 uA), etc. (Na verdade, a tensão tem que ser um pouco mais alta por causa de Vbe - presume-se que seja 0,7 V.)

Para um transistor PNP, o emissor é conectado a 12 V e o coletor é conectado a um resistor de carga de 100 ohm e a uma tensão que diminui lentamente de 12 V para 0 V. A corrente base DAC diminui de 12V.

Um MOSFET de aprimoramento de canal n é semelhante a um NPN. A fonte é conectada a 0V, o resistor de carga é conectado ao dreno e a uma variação de tensão de 0V a 12V. O DAC que estava controlando a corrente de base agora controla a tensão da porta e as etapas 0V, 1V, 2V, etc.

Um MOSFET de aprimoramento de canal p é semelhante a um PNP. A fonte é conectada a 12V, o resistor de carga é conectado ao dreno e a uma variação de tensão de 12V a 0V. A tensão da porta está em 12V, 11V, 10V, etc.

Um JFET de depleção de canal n é um pouco mais difícil. Você normalmente imaginaria a fonte conectada a 0 V, o dreno conectado a uma voltagem positiva variável e a porta conectada a uma voltagem negativa variável. Um JFET normalmente conduz e é desligado por uma tensão de porta negativa.

O curve tracer não pode gerar tensões negativas, então o dreno n-JFET é conectado a 12 V, a fonte é conectada a um resistor de carga de 100 ohm e então a uma tensão que diminui lentamente de 12 V para 0 V. Queremos que Vgs (a tensão da porta-fonte) passe de 0V, -1V, -2V, etc. Queremos que Vgs permaneça constante à medida que Vds (a tensão da fonte de dreno) varia. Portanto, o Arduino define a tensão no resistor de carga e, em seguida, ajusta a tensão da porta DAC até que Vgs seja o valor necessário. Em seguida, ele define uma nova tensão no resistor de carga e ajusta novamente a tensão da porta, etc.

(O curve tracer não pode medir a tensão aplicada à porta, mas sabe o que é dito ao DAC para fazer e isso é preciso o suficiente. Claro, isso mede apenas a parte da porta negativa da resposta JFET; se você quiser ver a parte do portão positivo, trate-a como um MOSFET.)

Um JFET de depleção do canal p é tratado de forma semelhante, mas os valores de 0 a 12 V estão todos invertidos.

(O curve tracer não lida especificamente com MOSFETs de depleção ou JFETs de aprimoramento, mas você pode tratá-los como JFETs de depleção e MOSFETs de aprimoramento.)

Depois de concluir o gráfico, o curve tracer calcula o ganho, o limite ou o corte do transistor.

Para transistores bipolares, o Arduino analisa o espaçamento médio das linhas horizontais das curvas. À medida que desenha a curva para a corrente de base, ele observa a corrente do coletor quando Vce é igual a 2V. A mudança na corrente do coletor é dividida pela mudança na corrente de base para fornecer o ganho. O ganho de um bipolar é um conceito vago. Depende de como você o mede. Não há duas marcas de multímetro que dêem a mesma resposta. Geralmente, tudo o que você está perguntando é "o ganho é alto?" ou "esses dois transistores são iguais?".

Para MOSFETs, o Arduino mede o limite de ativação. Ele define a tensão de carga para 6 V e, em seguida, aumenta gradualmente Vgs até que a corrente através da carga exceda 5 mA.

Para JFETs, o Arduino mede a tensão de corte. Ele define a tensão de carga para 6 V e então aumenta gradualmente (negativo) Vgs até que a corrente através da carga seja inferior a 1 mA.

Etapa 3: o circuito

Aqui está uma breve descrição do circuito. Uma descrição mais completa está no arquivo RTF anexado.

O curve tracer precisa de três tensões:

• 5V para o Arduino
• 3,3 V para o LCD
• 12V para o circuito de teste

O circuito deve converter essas tensões diferentes das 4 células AA.

O Arduino é conectado a um DAC de 2 canais para produzir as várias tensões de teste. (Tentei usar o Arduino PWM como um DAC, mas era muito barulhento.)

O DAC produz tensões na faixa de 0V a 4,096V. Estes são convertidos em 0V a 12V pelos amplificadores operacionais. Não consegui encontrar nenhum rail through-hole para amplificador operacional que pudesse fornecer / dissipar 50mA, então usei um LM358. A saída de um amplificador operacional LM358 não pode ser superior a 1,5 V abaixo de sua tensão de alimentação (ou seja, 10,5 V). Mas precisamos de toda a gama de 0-12V.

Portanto, usamos um NPN como um inversor de coletor aberto para a saída do amplificador operacional.

A vantagem é que esta saída caseira de "amplificador operacional de coletor aberto" pode ir até 12V. Os resistores de realimentação ao redor do amplificador operacional amplificam de 0 V a 4 V do DAC a 0 V a 12 V.

As tensões no dispositivo sob teste (DUT) variam entre 0 V e 12 V. Os ADCs do Arduino são limitados a 0V a 5V. Divisores potenciais fazem a conversão.

Entre o Arduino e o LCD existem divisores de potencial que caem de 5V para 3V. O LCD, a tela de toque e o DAC são controlados pelo barramento SPI.

O curve tracer é alimentado por 4 células AA que fornecem 6,5 V quando novas e podem ser usadas até cerca de 5,3 V.

Os 6 V das células caem para 5 V com um regulador de dropout muito baixo - um HT7550 (se você não tiver um, então um zener de 5 V e um resistor de 22 ohms não é muito pior). O consumo atual da fonte de 5 V é em torno de 26 mA.

O 6V das células é reduzido para 3,3V com um regulador de baixa queda - o HT7533. O consumo atual da alimentação de 3,3 V é de cerca de 42 mA. (Um 78L33 padrão funcionaria, mas tem uma queda de 2 V, então você teria que jogar fora suas células AA antes.)

Os 6 V das células são aumentados para 12 V com um SMPS (fonte de alimentação comutada). Simplesmente comprei um módulo no eBay. Tive muita dificuldade em encontrar um conversor decente. O resultado final é: não use um conversor XL6009, é uma ameaça absoluta. À medida que a bateria descarrega e cai abaixo de 4V o XL6009 enlouquece e produz até 50V que fritaria tudo. O bom que usei é:

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 = R405 & rtks = nc.

É minúsculo e tem cerca de 80% de eficiência. Seu consumo de corrente de entrada é em torno de 5mA ao aguardar a inserção de um DUT e momentaneamente de até 160mA ao traçar as curvas.

Conforme as células AA são descarregadas, as tensões variam, o software compensa usando tensões de referência. O Arduino mede a alimentação de 12V. O Arduino ADC usa sua fonte de "5 V" como tensão de referência, mas esse "5 V" é calibrado com precisão em relação à tensão de referência interna de 1,1 V do Arduino. O DAC tem uma tensão de referência interna precisa.

Gosto da maneira como o LCR-T4 tem um botão para ligá-lo e desligar automaticamente com um tempo limite. Infelizmente, o circuito apresenta uma queda de tensão que não posso pagar ao alimentar com 4 células AA. Mesmo redesenhar o circuito para usar um FET não foi suficiente. Portanto, estou usando um botão liga / desliga simples.

Etapa 4: o software

O esboço do Arduino está anexado aqui. Compile e carregue-o no Pro Mini da maneira usual. Existem muitas descrições de como fazer upload de programas na web e em outros Instructables.

O esboço começa desenhando o menu principal e espera que você insira um componente ou toque em um dos botões (ou envie um comando do PC). Ele testa a inserção de componentes uma vez por segundo.

Ele sabe que você inseriu um componente porque, com a tensão de base / porta definida para a metade (DAC = 128) e a tensão do resistor de carga definida para 0 V ou 12 V, uma corrente de vários mA flui por um ou outro dos resistores de carga. Ele sabe quando o dispositivo é um diodo porque mudar a tensão de base / porta não muda a corrente de carga.

Em seguida, ele desenha as curvas apropriadas e desliga as correntes de base e de carga. Em seguida, testa uma vez por segundo até que o componente seja desconectado. Ele sabe que o componente está desconectado porque a corrente de carga cai para zero.

O LCD ILI9341 é dirigido por minha própria biblioteca chamada "SimpleILI9341". A biblioteca está anexada aqui. Possui um conjunto padrão de comandos de desenho muito semelhantes a todas essas bibliotecas. Suas vantagens sobre outras bibliotecas são que ele funciona (algumas não!) E compartilha o barramento SPI educadamente com outros dispositivos. Algumas das bibliotecas "rápidas" que você pode baixar usam loops de temporização especiais e ficam chateadas quando outros dispositivos, talvez mais lentos, são usados no mesmo barramento. Ele é escrito em C simples e, portanto, tem sobrecargas menores do que algumas bibliotecas. Um programa do Windows está anexado, permitindo que você crie suas próprias fontes e ícones.

Etapa 5: Comunicação serial para PC

O curve tracer pode se comunicar com um PC por meio de um link serial (9600bps, 8 bits, sem paridade). Você precisará de um conversor USB para serial adequado.

Os seguintes comandos podem ser enviados do PC para o curve tracer:

• Comando 'N': trace as curvas de um transistor NPN.
• Comando 'P': trace as curvas de um transistor PNP.
• Comando 'F': trace as curvas de um n-MOSFET.
• Comando 'f': trace as curvas de um p-MOSFET.
• Comando 'J': trace as curvas de um n-JFET.
• Comando 'j': trace as curvas de um p-JFET.
• Comando 'D': trace as curvas de um diodo no lado NPN da tomada.
• Comando 'd': trace as curvas de um diodo no lado PNP da tomada.
• Comando 'A' nn: defina DAC-A com o valor nn (nn é um único byte) e retorne um 'A' ao PC. O DAC-A controla a tensão de carga.
• Comando 'B' nn: defina DAC-A com o valor nn e, em seguida, retorne um 'B' ao PC. O DAC-B controla a tensão de base / porta.
• Comando 'X': envia continuamente os valores ADC de volta ao PC.
• Comando 'M': mostra o menu principal.

Quando as curvas são traçadas seguindo um dos comandos, os resultados da curva são transmitidos de volta ao PC. O formato é:

• "n": inicia um novo gráfico, desenha os eixos, etc.

• "m (x), (y), (b)": mova a caneta para (x), (y).

  • (x) é Vce em mV inteiro.
  • (y) é Ic em centenas inteiros em uA (por exemplo, 123 significa 12,3 mA).
  • (b) é a corrente de base em uA inteiro
  • ou (b) é 50 vezes a tensão da porta em mV inteiro
• "l (x), (y), (b)": desenhe uma linha até (x), (y).
• "z": o fim desta linha

• "g (g)": o fim da varredura;

  (g) é o ganho, a tensão de limiar (x10) ou a tensão de corte (x10)

Os valores enviados para o PC são os valores brutos medidos. O Arduino suaviza os valores antes de desenhá-los por meio de uma corretiva; Você deveria fazer o mesmo.

Quando o PC envia um comando "X", os valores ADC são retornados como números inteiros:

• "x (p), (q), (r), (s), (t), (u)"

  • (p) a tensão no resistor de carga do PNP DUT
  • (q) a tensão no coletor do PNP DUT
  • (r) a tensão no resistor de carga do NPN DUT
  • (s) a tensão no coletor do NPN DUT
  • (t) a tensão da fonte de "12 V"
  • (u) a tensão da alimentação "5V" em mV

Você pode escrever um programa de PC para testar outros dispositivos. Defina os DACs para testar as tensões (usando os comandos 'A' e 'B') e veja o que os ADCs relatam.

O curve tracer apenas envia dados para o PC depois de receber um comando, pois o envio de dados torna a varredura mais lenta. Ele também não testa mais a presença / ausência de um componente. A única maneira de desligar o curve tracer é enviar um comando 'O' (ou remover a bateria).

Um programa do Windows está anexado, o que demonstra o envio de comandos para o curve tracer.

Etapa 6: Construindo o Curve Tracer

Aqui estão os principais componentes que você provavelmente precisará comprar:

• Arduino Pro Mini 5V 16 MHz Atmel328p (£ 1,30)
• Soquete Zif de 14 pinos (£ 1)
• MCP4802 (£ 2,50)
• HT7533 (£ 1)
• LE33CZ (£ 1)
• IL9341 Visor de 2,8 "(£ 6)
• Fonte de alimentação de reforço de 5 V a 12 V (£ 1)
• Suporte de bateria 4xAA (£ 0,30)

Pesquise no eBay ou no seu fornecedor favorito. Isso é um total de cerca de £ 14.

Eu tenho meu display aqui:

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

E o impulso SMPS aqui:

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 & rtks = nc l1313

Os componentes restantes são coisas que você provavelmente já possui:

• BC639 (3 desligado)
• 100nF (7 desligado)
• 10uF (2 desligado)
• 1k (2 desligado)
• 2k2 (5 desligado)
• 3k3 (5 desligado)
• 4k7 (1 desligado)
• 10k (7 desligado)
• 27k (1 desligado)
• 33k (8 desligado)
• 47k (5 desligado)
• 68k (2 desligado)
• 100R (2 desligado)
• Interruptor deslizante (1 desligado)
• LM358 (1 desligado)
• stripboard
• Soquete IC de 28 pinos ou cabeçalho SIL
• porcas e parafusos

Você vai precisar das ferramentas eletrônicas usuais - ferro de solda, cortadores, solda, pedaços de fios estranhos, etc. - e um conversor USB para serial para programar o Arduino.

O curve tracer é construído em stripboard. Se você é o tipo de pessoa que quer um curve tracer, você já sabe como fazer um stripboard.

O layout que usei é mostrado acima. As linhas ciano são de cobre na parte de trás do stripboard. As linhas vermelhas são links no lado do componente ou são as derivações extralongas do componente. Linhas vermelhas curvas são fios flexíveis. Os círculos azuis escuros são quebras no stripboard.

Eu o construí em duas placas, cada uma com 3,7 "por 3,4". Uma placa contém o display e o circuito do testador; a outra placa contém o porta-bateria e as fontes de 3,3V, 5V e 12V. Eu mantive as partes de baixa tensão ("5 V") e alta tensão ("12 V") do circuito do testador separadas com apenas resistores de alto valor cruzando a fronteira.

As duas placas e a tela formam um sanduíche de três andares preso com parafusos M2. Eu corto pedaços de tubo de plástico para atuar como espaçadores ou você pode usar tubos de caneta esferográfica, etc.

Eu conectei apenas os pinos do Arduino Mini de que precisava e apenas os das laterais (não nas extremidades superior e inferior do Mini PCB). Usei fios curtos em vez da linha usual de pinos quadrados com os Arduinos (os pinos soldados ao PCB são quadrados no desenho). Eu queria que o Arduino ficasse alinhado com o stripboard porque não há muita altura sob a tela.

A pinagem do Arduino ProMini é bastante variável. Os pinos nas bordas longas da placa são fixos, mas os pinos nas bordas curtas diferem entre os fornecedores. O layout acima assume uma placa com os 6 pinos de programação com Gnd próximo ao pino Raw e com DTR próximo a Tx na borda longa. Na outra extremidade do tabuleiro há uma fileira de 5 pinos com 0 V próximo ao D9 e A7 próximo ao D10. Nenhum dos pinos de borda curta é soldado no stripboard, então você pode usar fios soltos se o seu ProMini for diferente.

Use um soquete de cabeçalho SIL para segurar o display. Ou corte um soquete IC de 28 pinos ao meio e use as peças para fazer um soquete para o display. Solde os pinos quadrados que são fornecidos com o monitor (ou que vieram com o Arduino) no monitor. Eles são muito grossos para serem plugados em um soquete de pino torneado - escolha um soquete que tenha o tipo de pino "clipe de mola". Alguns soquetes do tipo "clipe de mola" podem suportar apenas meia dúzia de inserções / remoções do LCD, então tente encontrar bons em sua gaveta de componentes.

O LCD contém um soquete para um cartão SD (que não usei). Ele é conectado a 4 pinos no pcb. Usei os pinos e um pedaço de cabeçalho SIL ou soquete IC para ajudar a apoiar o LCD.

Observe que há alguns links no soquete ZIF. Solde-os antes de colocá-los.

Eu adicionei um conector de programação com Tx, Rx, Gnd e um botão de reset. (Meu conversor USB-para-serial não tem um pino DTR, então eu tenho que reiniciar o Arduino manualmente.) Eu retirei a solda do conector de programação quando o projeto foi concluído.

Para proteger a eletrônica, fiz uma capa de folha de poliestireno.

Arquivos para o circuito no formato EasyPC estão anexados.

Etapa 7: Desenvolvimento Futuro

Pode ser bom produzir curvas para outros componentes, mas quais? Não está claro para mim quais informações extras a curva de um tiristor ou triac me diria sobre o que o testador LCR-T4 faz. O testador LCR-T4 pode até ser usado com opto-isoladores. Eu nunca usei um MOSFET de depleção ou um JFET de realce ou um transistor unijunction e não tenho nenhum. Presumo que o curve tracer poderia tratar um IGBT como um MOSFET.

Seria bom se o curve tracer pudesse reconhecer um componente automaticamente e dizer qual pino é qual. Idealmente, ele produziria as curvas. Infelizmente, a maneira como os pinos do DUT são acionados e medidos exigiria muitos componentes extras e complexidade.

Uma solução mais simples é copiar o circuito do testador LCR-T4 existente (é de código aberto e muito simples) com um segundo processador Atmega. Estenda o soquete ZIF para 16 pinos para fornecer três pinos extras nos quais o componente desconhecido pode ser conectado. O novo Atmega atua como um escravo no barramento SPI e relata ao Arduino Mini principal o que vê. (Os esboços do escravo SPI estão disponíveis na web.) O software do testador LCR-T4 está disponível e parece bem documentado. Não há nada intrinsecamente difícil nisso.

O Arduino principal exibe o tipo de componente e um diagrama de como conectá-lo à parte do curve tracer do soquete ZIF.

Anexei um layout de montagem em superfície que pode ser usado com um Arduino ProMini ou com um Atmega328p nu (no formato EasyPC). Se houver demanda suficiente (e pedidos com dinheiro), eu poderia produzir um lote de SM PCBs. Você poderia comprar um de mim já pronto? Bem, sim, claro, mas o preço seria bobo. A vantagem de lidar com a China é que muitos módulos eletrônicos bacanas podem ser comprados por um preço muito baixo. A desvantagem é que não vale a pena desenvolver nada: se for um sucesso, será clonado. Por melhor que seja esse rastreador de curva, não o vejo como uma oportunidade de negócio viável.