Transistor Curve Tracer: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:38

Jag har alltid velat ha en transistorkurvspårare. Det är det bästa sättet att förstå vad en enhet gör. Efter att ha byggt och använt den här, förstår jag äntligen skillnaden mellan de olika smakerna av FET.

Det är användbart för

• matchande transistorer
• mäta förstärkningen av bipolära transistorer
• mäta tröskeln för MOSFET
• mäta avstängning av JFET
• mäter diodernas framspänning
• mäta nedbrytningsspänningen för Zeners
• och så vidare.

Jag blev väldigt imponerad när jag köpte en av de underbara LCR-T4-testarna av Markus Frejek och andra men jag ville att den skulle berätta mer om komponenterna så jag började designa min egen testare.

Jag började med att använda samma skärm som LCR-T4 men den har inte en tillräckligt hög upplösning så jag bytte till en 320x240 2,8 LCD. Det råkar vara en färgpekskärm vilket är trevligt. Kurvspåraren körs på en Arduino Pro Mini 5V Atmega328p 16MHz och drivs av 4 AA -celler.

Steg 1: Hur man använder den

När du slår på kurvspåraren visas huvudmenyn.

Välj typ av enhet genom att trycka på någon av "PNP NPN", "MOSFET" eller "JFET". Du kan testa dioder i "PNP NPN" -läge.

Sätt enheten under test (DUT) i ZIF -uttaget. Menyskärmen visar vilka nålar du ska använda. PNP, p-kanal MOSFETS och n-kanal JFETS går i vänster sida av uttaget. NPN, n-kanal MOSFETS och p-kanal JFETS går i höger sida av uttaget. Stäng ZIF -uttaget.

Efter någon sekund inser testaren att den har en komponent och börjar rita kurvorna.

För en PNP- eller NPN -transistor visar den Vce (spänningen mellan kollektorn och sändaren) kontra strömmen som strömmar in i kollektorn. En linje dras för varje olika basström - t.ex. 0uA, 50uA, 100uA, etc. Transistorns förstärkning visas högst upp på skärmen.

För en MOSFET plottar den Vds (spänningen mellan avloppet och källan) kontra strömmen som strömmar in i avloppet. En linje dras för varje olika grindspänning - 0V, 1V, 2V, etc. Tröskelvärdet för FET visas högst upp på skärmen.

För en JFET plottar den Vds (spänningen mellan avloppet och källan) kontra strömmen som strömmar in i avloppet. En linje dras för varje olika grindspänning - 0V, 1V, 2V, etc. Med utarmade JFET flödar ström när grindspänningen är lika med källspänningen. När grindspänningen ändras till att vara längre från avloppsspänningen stängs JFET av. Avgränsningströskeln för FET visas högst upp på skärmen.

Den mest intressanta delen av en MOSFET- eller JFET-kurva är kring till- eller frånkopplingsspänningen plus eller minus några hundra mV. I huvudmenyn, tryck på knappen Inställningar så visas skärmen Inställningar. Du kan välja minsta och maximala grindspänning: fler kurvor dras i den regionen.

För en PNP- eller NPN -transistor kan du på inställningsskärmen välja minsta och högsta basström

Med dioder kan du se framspänningen och med Zeners, den omvända nedbrytningsspänningen. På bilden ovan har jag kombinerat kurvorna för flera dioder.

Steg 2: Hur det fungerar

Låt oss överväga en NPN -transistor. Vi ska rita ett diagram över spänningen mellan kollektorn och emittern (x-axeln är Vce) mot strömmen som strömmar in i kollektorn (y-axeln är Ic). Vi kommer att dra en linje för varje olika basström (Ib) - t.ex. 0uA, 50uA, 100uA, etc.

NPN -sändaren är ansluten till 0V och kollektorn är ansluten till ett 100ohm "belastningsmotstånd" och sedan till en spänning som långsamt ökar. En DAC som styrs av Arduino sveper den testspänningen från 0V till 12V (eller tills strömmen genom lastmotståndet når 50mA). Arduino mäter spänningen mellan kollektorn och sändaren och spänningen över lastmotståndet och ritar en graf.

Detta upprepas för varje basström. Basströmmen genereras av en andra 0V-till-12V DAC och ett 27k-motstånd. DAC producerar 0V, 1.35V (50uA), 2.7V (100uA), 4.05V (150uA), etc. (Egentligen måste spänningen vara lite högre på grund av Vbe - antas vara 0.7V.)

För en PNP -transistor är sändaren ansluten till 12V och kollektorn är ansluten till ett 100ohm belastningsmotstånd och sedan till en spänning som långsamt minskar från 12V till 0V. Basströmmen DAC går ner från 12V.

En MOSFET för förbättring av n-kanaler liknar en NPN. Källan är ansluten till 0V, belastningsmotståndet är anslutet till avloppet och till en spänning som sveper från 0V till 12V. DAC: n som styr basströmmen styr nu grindspänningen och steg 0V, 1V, 2V, etc.

En p-kanal förbättring MOSFET liknar en PNP. Källan är ansluten till 12V, belastningsmotståndet är anslutet till avloppet och till en spänning som sveper från 12V till 0V. Grindspänningsstegen 12V, 11V, 10V, etc.

En n-kanals utarmnings-JFET är något svårare. Du skulle normalt föreställa dig källan ansluten till 0V, avloppet anslutet till en varierande positiv spänning och grinden ansluten till en varierande negativ spänning. En JFET leder normalt och stängs av med en negativ grindspänning.

Kurvspåraren kan inte generera negativa spänningar så n-JFET-avloppet är anslutet till 12V, källan är ansluten till ett 100ohm belastningsmotstånd och sedan till en spänning som långsamt minskar från 12V till 0V. Vi vill att Vgs (portkällspänningen) ska gå från 0V, -1V, -2V, etc. Vi vill att Vgs ska förbli konstant eftersom Vds (dräneringskällans spänning) varierar. Så Arduino ställer in spänningen vid lastmotståndet och justerar sedan grindspänningen DAC tills Vgs är det önskade värdet. Den sätter sedan en ny spänning vid lastmotståndet och justerar igen grindspänningen etc.

(Kurvspåraren kan inte mäta spänningen som appliceras på porten, men den vet vad den har fått DAC att göra och det är tillräckligt noggrant. Naturligtvis mäter detta bara den negativa gate-delen av JFET-svaret; om du vill se den positiva gate-delen, behandla den som en MOSFET.)

En p-kanalutarmning JFET behandlas på samma sätt men 0 till 12V-värdena är alla inverterade.

(Kurvspåraren behandlar inte specifikt utarmnings -MOSFET eller förbättrad JFET, men du kan behandla dem som utarmnings -JFET och förbättrings -MOSFET.)

När den väl har slutfört grafen beräknar kurvspåraren transistorns förstärkning, tröskel eller avstängning.

För bipolära transistorer tittar Arduino på det genomsnittliga avståndet mellan kurvornas horisontella linjer. När den ritar kurvan för basström, noterar den kollektorströmmen när Vce är lika med 2V. Förändringen i kollektorström divideras med förändringen i basström för att ge förstärkningen. Vinsten med en bipolär är ett vagt begrepp. Det beror på hur du mäter det. Inga två fabrikat av multimeter kommer att ge samma svar. I allmänhet är allt du frågar "är vinsten hög?" eller "är dessa två transistorer desamma?".

För MOSFET mäter Arduino starttröskeln. Den sätter lastspänningen till 6V och ökar sedan gradvis Vgs tills strömmen genom lasten överstiger 5mA.

För JFET mäter Arduino brytspänningen. Den sätter lastspänningen till 6V och ökar sedan gradvis (negativ) Vgs tills strömmen genom lasten är mindre än 1mA.

Steg 3: Kretsen

Här är en kort beskrivning av kretsen. En mer fullständig beskrivning finns i den bifogade RTF -filen.

Kurvspåraren behöver tre spänningar:

• 5V för Arduino
• 3.3V för LCD -skärmen
• 12V för testkretsen

Kretsen måste konvertera göra dessa olika spänningar från de 4 AA -cellerna.

Arduino är ansluten till en 2-kanals DAC för att producera de olika testspänningarna. (Jag försökte använda Arduino PWM som DAC men det var för bullrigt.)

DAC producerar spänningar i intervallet 0V till 4,096V. Dessa omvandlas till 0V till 12V med op-ampere. Jag kunde inte hitta någon genomgående hålförstärkare som kan källa/sjunka 50mA, så jag använde en LM358. Utgången från en LM358 op-amp kan inte gå högre än 1,5V under matningsspänningen (dvs. 10,5V). Men vi behöver hela intervallet 0-12V.

Så vi använder en NPN som en öppen kollektor-inverter för utgången av op-amp.

Fördelen är att denna hemgjorda "öppna samlare op-amp" -utgång kan gå upp till 12V. Feedbackmotstånd runt op-amp förstärker 0V till 4V från DAC till 0V till 12V.

Spänningarna vid Device-Under-Test (DUT) varierar mellan 0V och 12V. Arduino ADC: erna är begränsade till 0V till 5V. Potentiella avdelare gör konverteringen.

Mellan Arduino och LCD -skärmen finns potentiella avdelare som sjunker 5V till 3V. LCD -skärmen, pekskärmen och DAC styrs av SPI -bussen.

Kurvspåraren drivs från 4 AA -celler som ger 6,5V när de är nya och kan användas ner till cirka 5,3V.

6V från cellerna sjunker till 5V med en mycket låg utfällningsregulator - en HT7550 (om du inte har en så är en 5V zener och ett 22ohm motstånd inte för mycket värre). Den nuvarande förbrukningen av 5V -matningen är cirka 26mA.

6V från cellerna sänks till 3,3V med en låg -dropout -regulator - HT7533. Strömförbrukningen för 3,3V -matningen är cirka 42mA. (En vanlig 78L33 skulle fungera men den har ett 2V -avhopp så att du måste kasta dina AA -celler tidigare.)

6V från cellerna förstärks till 12V med en SMPS (Switched Mode Power Supply). Jag köpte helt enkelt en modul från eBay. Jag hade riktigt problem med att hitta en anständig omvandlare. Slutsatsen är, använd inte en XL6009 -omvandlare, det är ett absolut hot. När batteriet går tomt och faller under 4V blir XL6009 galen och producerar upp till 50V vilket skulle steka allt. Den bra jag använde är:

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

Den är liten och är cirka 80% effektiv. Dess strömförbrukning är cirka 5 mA när man väntar på att en DUT ska sättas in och upp till 160 mA vid kurvorna.

När AA -cellerna urladdas varierar spänningarna, kompenserar programvaran genom att använda referensspänningar. Arduino mäter 12V -matningen. Arduino ADC använder sin "5V" -matning som referensspänning men att "5V" kalibreras exakt mot Arduinos interna 1.1V referensspänning. DAC har en exakt intern referensspänning.

Jag gillar hur LCR-T4 har en knapp för att slå på den och stängs av automatiskt med en timeout. Tyvärr introducerar kretsen ett spänningsfall som jag inte har råd med när den drivs från 4 AA -celler. Till och med omdesigna kretsen för att använda en FET var inte tillräckligt. Så jag använder en enkel strömbrytare.

Steg 4: Programvaran

Arduino -skissen bifogas här. Kompilera och ladda upp den till Pro Mini på vanligt sätt. Det finns många beskrivningar av hur man laddar upp program på webben och i andra instruktioner.

Skissen börjar med att rita huvudmenyn och väntar sedan på att du sätter in en komponent eller trycker på någon av knapparna (eller skickar ett kommando från datorn). Den testar komponentinsättning en gång i sekunden.

Det vet att du har satt in en komponent eftersom, med bas-/grindspänningen inställd på halvvägs (DAC = 128) och lastmotståndsspänningen inställd på 0V eller 12V, strömmar en ström på flera mA genom ett eller annat av belastningsmotstånden. Den vet när enheten är en diod eftersom ändring av bas-/grindspänningen inte ändrar belastningsströmmen.

Den ritar sedan lämpliga kurvor och stänger av bas- och lastströmmarna. Den testar sedan en gång i sekunden tills komponenten är urkopplad. Den vet att komponenten är urkopplad eftersom belastningsströmmen faller till noll.

ILI9341 LCD -skärmen drivs av mitt eget bibliotek som heter "SimpleILI9341". Biblioteket bifogas här. Den har en standard uppsättning ritningskommandon som liknar alla sådana bibliotek. Dess fördelar jämfört med andra bibliotek är att den fungerar (vissa inte!) Och den delar SPI -bussen artigt med andra enheter. Några av de "snabba" biblioteken du kan ladda ner använder speciella tidsslingor och blir upprörda när andra, mycket långsammare enheter används på samma buss. Den är skriven på vanlig C och har därför mindre omkostnader än vissa bibliotek. Ett Windows -program är bifogat som låter dig skapa egna teckensnitt och ikoner.

Steg 5: Seriell kommunikation till PC

Kurvspåraren kan kommunicera med en dator via en seriell länk (9600bps, 8-bitars, ingen paritet). Du behöver en lämplig USB-till-seriell omvandlare.

Följande kommandon kan skickas från datorn till kurvspåraren:

• Kommando 'N': spåra kurvorna för en NPN -transistor.
• Kommando 'P': spåra kurvorna för en PNP -transistor.
• Kommando 'F': spåra kurvorna för en n-MOSFET.
• Kommando 'f': spåra kurvorna för en p-MOSFET.
• Kommando 'J': spåra kurvorna för en n-JFET.
• Kommando 'j': spåra kurvorna för en p-JFET.
• Kommando 'D': spåra kurvorna för en diod på NPN -sidan av uttaget.
• Kommando 'd': spåra kurvorna för en diod på PNP -sidan av uttaget.
• Kommando 'A' nn: ställ in DAC-A till värdet nn (nn är en enda byte) och returnera sedan ett 'A' till datorn. DAC-A styr lastspänningen.
• Kommando 'B' nn: ställ in DAC-A till värdet nn och returnera sedan ett 'B' till datorn. DAC-B styr bas/grindspänningen.
• Kommando 'X': skicka ADC -värden kontinuerligt tillbaka till datorn.
• Kommando 'M': visa huvudmenyn.

När kurvorna spåras efter ett av kommandona överförs resultaten av kurvan tillbaka till datorn. Formatet är:

• "n": starta en ny tomt, rita axlarna etc.

• "m (x), (y), (b)": flytta pennan till (x), (y).

  • (x) är Vce i heltal mV.
  • (y) är Ic i heltal hundratals på uA (t.ex. 123 betyder 12,3mA).
  • (b) är basströmmen i heltalet uA
  • eller (b) är 50 gånger grindspänningen i heltal mV
• "l (x), (y), (b)": dra en linje till penna till (x), (y).
• "z": slutet på denna rad

• "g (g)": slutet av skanningen;

  (g) är förstärkning, tröskelspänning (x10) eller avstängningsspänning (x10)

De värden som skickas till datorn är råmätvärdena. Arduino jämnar ut värdena innan de ritar dem genom avreraging; du borde göra detsamma.

När datorn skickar ett "X" -kommando returneras ADC -värdena som heltal:

• "x (p), (q), (r), (s), (t), (u)"

  • (p) spänningen vid lastmotståndet i PNP DUT
  • (q) spänningen vid kollektorn på PNP DUT
  • (r) spänningen vid lastmotståndet på NPN DUT
  • (s) spänningen vid kollektorn på NPN DUT
  • (t) spänningen på "12V" -matningen
  • (u) spänningen för "5V" -försörjningen i mV

Du kan skriva ett PC -program för att testa andra enheter. Ställ in DAC: erna för att testa spänningar (med kommandon 'A' och 'B') och se sedan vad ADC: erna rapporterar.

Kurvspåraren skickar endast data till datorn efter att den har mottagit ett kommando eftersom sändning av data saktar ner skanningen. Det testar inte heller närvaron/frånvaron av en komponent. Det enda sättet att stänga av kurvspåraren är att skicka ett 'O' -kommando (eller ta bort batteriet).

Ett Windows -program bifogas som visar att kommandon skickas till kurvspåraren.

Steg 6: Bygga Curve Tracer

Här är de viktigaste komponenterna som du förmodligen måste köpa:

• Arduino Pro Mini 5V 16MHz Atmel328p (£ 1,30)
• 14 -stifts Zif -uttag (£ 1)
• MCP4802 (£ 2,50)
• HT7533 (£ 1)
• LE33CZ (£ 1)
• IL9341 2,8 "skärm (£ 6)
• 5V till 12V boost -nätaggregat (£ 1)
• 4xAA cellbatterihållare (0,30 kr)

Sök på eBay eller din favoritleverantör. Det är totalt cirka £ 14.

Jag fick min display här:

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

Och boost SMPS här:

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-till-12V-Step-up-Power-Supply-Boost-Voltage-Regulator-Converter & _from = R40 & rtr = n & mtr5 l1313

De återstående komponenterna är saker du förmodligen redan har:

• BC639 (3 av)
• 100nF (7 av)
• 10uF (2 av)
• 1k (2 av)
• 2k2 (5 rabatt)
• 3k3 (5 rabatt)
• 4k7 (1 rabatt)
• 10k (7 rabatt)
• 27k (1 rabatt)
• 33k (8 av)
• 47k (5 rabatt)
• 68k (2 av)
• 100R (2 av)
• Skjutbrytare (1 av)
• LM358 (1 rabatt)
• bandbräda
• 28-stifts IC-uttag eller SIL-huvud
• muttrar och bultar

Du behöver de vanliga elektronikverktygen - lödkolv, skär, löd, udda trådbitar, etc. - och en USB -till -serieomvandlare för att programmera Arduino.

Kurvspåraren är byggd på band. Om du är den typen av människor som vill ha en kurvspårare, vet du redan hur du lägger ut bandplatta.

Layouten jag använde visas ovan. Cyan linjer är koppar på baksidan av bandplattan. Röda linjer är länkar på komponentsidan eller är komponentens extra långa ledningar. Böjda röda linjer är flexibel tråd. Mörkblå cirklar är raster i bandplattan.

Jag byggde den på två brädor, vardera 3,7 "x 3,4". Ett kort innehåller displayen och testkretsen; det andra kortet har batterihållare och 3,3V, 5V och 12V förbrukningsmaterial. Jag höll delarna av lågspänning ("5V") och högspänning ("12V") i testkretsen separerade med endast högvärdesmotstånd som passerar gränsen.

De två brädorna och displayen bildar en smörgås med tre däck som hålls ihop med M2-skruvar. Jag skär längder av plaströr för att fungera som distanser, eller så kan du använda kulpennrör etc.

Jag anslöt bara de Arduino Mini -stiften som jag behövde och bara de på sidorna (inte i topp- och bottenändarna på Mini -kretskortet). Jag använde korta trådlängder snarare än den vanliga raden med fyrkantiga stift som Arduinos levereras med (stiften lödda på kretskortet är fyrkantiga på ritningen). Jag ville att Arduino skulle spola mot bandet eftersom det inte är så mycket höjd under displayen.

Arduino ProMini pinout är ganska variabel. Stiften på brädans långa kanter är fasta men stiften på de korta kanterna skiljer sig åt mellan leverantörerna. Layouten ovan förutsätter en tavla med de 6 programmeringsnålarna med Gnd bredvid Raw -stiftet och med DTR bredvid Tx på långsidan. I andra änden av tavlan finns en rad med 5 stift med 0V bredvid D9 och A7 bredvid D10. Ingen av de kortsidiga stiften är lödda i bandplattan så att du kan använda lösa trådar om din ProMini är annorlunda.

Använd ett SIL -uttag för att hålla displayen. Eller skär ett 28-poligt IC-uttag på mitten och använd bitarna för att göra ett uttag för displayen. Löd de fyrkantiga stiften som medföljer displayen (eller levererades med Arduino) i displayen. De är för feta för att kunna anslutas till ett uttaget - välj ett uttag som har "fjäderklämman". Vissa "fjäderklämmor" -typ av IC -uttag tål bara ett halvt dussin inlägg/borttagning av LCD -skärmen, så försök hitta bra i komponentlådan.

LCD -skärmen innehåller ett uttag för ett SD -kort (som jag inte använde). Den är ansluten till 4 stift på kretskortet. Jag använde stiften och en bit SIL -huvud eller IC -uttag för att stödja LCD -skärmen.

Lägg märke till att det finns några länkar under ZIF -uttaget. Löd in dem innan du passar det.

Jag lade till en programmeringskontakt med Tx, Rx, Gnd och en återställningsknapp. (Min USB-till-seriella omvandlare har inte en DTR-pin så jag måste återställa Arduino manuellt.) Jag avlödde programmeringskontakten när projektet var klart.

För att skydda elektroniken gjorde jag ett lock av polystyrenplåt.

Filer för kretsen i EasyPC -format bifogas.

Steg 7: Framtida utveckling

Det kan vara trevligt att producera kurvor för andra komponenter men vilka? Det är inte klart för mig vilken extra information kurvan för en tyristor eller triac skulle berätta för mig vad LCR-T4-testaren gör. LCR-T4-testaren kan även användas med opto-isolatorer. Jag har aldrig använt en utarmning MOSFET eller en förbättring JFET eller en unijunction transistor och äger ingen. Jag antar att kurvspåraren kan behandla en IGBT som en MOSFET.

Det vore trevligt om kurvspåraren automatiskt kunde känna igen en komponent och säga vilken stift som är vilken. Helst skulle det fortsätta att producera kurvorna. Tyvärr så skulle DUT -stiften drivas och mätas, vilket skulle kräva mycket extra komponenter och komplexitet.

En enklare lösning är att kopiera den befintliga LCR-T4-testkretsen (den är öppen källkod och mycket enkel) med en andra Atmega-processor. Förläng ZIF-uttaget till 16-stift för att ge tre extra stift som den okända komponenten kan anslutas till. Nya Atmega fungerar som en slav på SPI -bussen och rapporterar till huvud Arduino Mini vad den ser. (SPI-slavskisser finns tillgängliga på webben.) Programvaran för LCR-T4-testaren är tillgänglig och ser väldokumenterad ut. Det finns inget svårt i sig.

Huvud Arduino visar komponenttypen och ett diagram över hur du ansluter komponenten till kurvspårningsdelen av ZIF -uttaget.

Jag har bifogat en ytmonterad layout som kan användas med en Arduino ProMini eller med en naken Atmega328p (i EasyPC-format). Om det finns tillräcklig efterfrågan (och beställningar med pengar) kan jag producera ett parti SM -PCB Kan du köpa en av mig färdigbyggd? Jo, naturligtvis, men priset skulle vara dumt. Fördelen med att hantera Kina är att så många fina elektroniska moduler kan köpas så billigt. Nackdelen är att det inte är värt att utveckla någonting: om det är en framgång kommer det att klonas. Trevligt som den här kurvspåraren är, jag ser det inte som en livskraftig affärsmöjlighet.