Estos componentes son necesarios:
Resistencias 3,3 kΩ | 4,7 kΩ | 4x 22 kΩ del kit de resistencias AZ.
Condensador electrolítico 10 µF del juego de condensadores electrolíticos AZ
2 amplificadores operacionales LM 358
Minorista de electrónica
La idea de este proyecto
Después de que el artículo de 6 partes sobre el TDMM tuviera tan buena acogida, me gustaría utilizar esta entrada de blog de 2 partes para mostrarte cómo puedes utilizar el TDMM para medir las características de los transistores. Estos conocimientos básicos siguen siendo muy importantes para cualquiera que desarrolle circuitos electrónicos, aunque hoy en día llevemos millones de transistores en el bolsillo.
Nos equiparemos con algunas herramientas para realizar estas mediciones. Un D1 mini V3 actuará como generador de rampa. Un sencillo amplificador de medida nos permitirá medir pequeñas corrientes (a partir de 0,000001 A).
Para un proceso de medición cómodo y controlado por Python, ampliamos el alcance funcional del TDMM con comandos adicionales. Esta es una de las ventajas del "Procesador de comandos", que instalamos desde el principio. Hace que sea muy fácil añadir instrucciones adicionales.
Usted Aprenda Conozca un programa en Python que automatiza los procesos de medición. Así estarás bien equipado para realizar tus propias mediciones. También aprenderemos mucho sobre la comunicación entre varios ordenadores a través de USB.
¿Qué es la curva característica de un transistor?
Hay mucha información de calidad al respecto en Internet, por ejemplo en Wikipedia o en el excelente sitio web de Compendio de electrónica. Con su amable permiso, adopto este gráfico y puedo ser breve en mi explicación:
Figura 1: Campos_característicos_del_transistor
Un transistor (a la derecha en la imagen) controla la corriente a través de su trayectoria colector-emisor mediante la corriente de base Ib. La corriente de base de nuestro transistor de prueba tipo BC 548C es aproximadamente 1/600 ... 1/900 de la corriente de colector. La amplificación de corriente β corresponde a 600 ... 900 (valor adimensional). Aquí encontrará la ficha técnica de este transistor: BC 548C.
La figura 1 muestra un transistor npn. Se muestran las direcciones de la corriente. Ic fluye desde el polo positivo de la fuente de alimentación a través del colector, pasando por el emisor, hasta la masa.
A la izquierda del símbolo del transistor vemos una recopilación de las cuatro características típicas del campo de curvas características del transistor. Analizaremos tres características con más detalle y las determinaremos en la parte 2.
Característica de control
Arriba a la izquierda, en el 1er cuadrante, vemos el diagrama característico de control en una representación idealizada. Muestra la corriente de colector correspondiente para cada corriente de base. El gradiente de la línea azul refleja así la amplificación de corriente β. Una línea empinada muestra una β alta, una línea plana una β baja.
En la práctica, no encontramos una línea recta tan impecable, pero sí grandes zonas casi ideales en las que la corriente de colector sigue exactamente a la corriente de base: Ic = Ib * β.
La curva característica de entrada
Debajo del diagrama característico de control, en el 3er cuadrante, puede ver el diagrama característico de entrada. Muestra la relación entre la tensión Usea y la corriente Isea de nuevo. Es posible que ya reconozca esto como la característica típica de avance de un diodo rectificador o un LED. La tensión Usea entre la base y el emisor debe superar un determinado valor para que fluya una corriente medible. En el caso del silicio, esta tensión ronda los 0,7 V, y en el de los semiconductores de germanio, los 0,3 V.
El campo de la curva característica de salida
El 2º cuadrante muestra el campo de la curva característica de salida. Hemos visto que a una determinada Ib a definido Ic pertenece. Ic sin embargo, depende de la tensión colector-emisor, de Uce. El resultado es una matriz de curvas características con una curva característica para cada valor de Uce. A primera vista se puede observar que la ganancia del transistor varía sólo ligeramente de Uce depende. Esto califica a un transistor con circuitos adecuados para funcionar como fuente de corriente constante, por ejemplo.
Nuestras medidas: Cuadrante 1 - 3
Limitamos nuestras mediciones a estos tres cuadrantes del campo de la curva característica porque la curva característica de realimentación (4º cuadrante) tiene menos importancia práctica.
Estructura de los circuitos de medición
Determinamos las siguientes curvas características:
1. Característica de control: Ib | Ic
Figura 2: Medición de la característica de control
Para ello, medimos la corriente de base y la corriente de colector. La corriente de base fluye desde el generador de rampa a través de la resistencia de 100 k R5, pasando por la base y el emisor del transistor, hasta tierra. El generador de rampa suministra la corriente de base. Para calcular Ib colocamos el amplificador diferencial U3A a través de la resistencia de 100k. Según la ley de Ohm, la corriente Ib = UR/R
El amplificador diferencial tiene entradas de muy alta impedancia para que apenas distorsione la medición. UR es la tensión medida en la resistencia R (100 kΩ).
Medimos la corriente de colector indirectamente. Para ello, utilizamos el TDMM para determinar Uce. La tensión de funcionamiento aplicada de (12 V - Uce) da la tensión a través de la resistencia de 680 Ω, a partir de la cual podemos calcular Ic recibido inmediatamente: Ic = (12 V - Uce) /680 Ω
2. Característica de salida Uce | Ic
Para ello medimos con la disposición a partir de 1. A diferentes Ib se convierte en Ic in Dependencia de Uce determinado.
3. Característica de entrada Usea | Ib
Medimos la tensión Usea directamente en la base del transistor. Aquí también utilizamos el amplificador diferencial para medir la corriente de base.
Nuestras herramientas: generador de rampa PWM y amplificador diferencial
Utilizamos estos dos montajes además del TDMM:
En Generador de rampa PWM convierte la señal PWM de D1 (pin 5) de la mini V3 D1 en una tensión continua estable. Comprobaremos si la tensión continua generada es realmente lineal con sube y baja con la señal PWM. He llamado al módulo "generador de rampa" porque en la práctica suele utilizarse para generar señales en forma de rampa.
En Amplificador diferencial es un módulo muy utilizado en la tecnología de medición. Como su nombre indica, amplifica la diferencia de tensión entre sus entradas "+" y "-". Puede funcionar en modo inversor, es decir, invirtiendo la señal, o no inversor, como en nuestro caso.
¿Por qué necesitamos un amplificador de este tipo? Queremos medir la tensión a través de una resistencia de 100 kΩ. Por lo tanto, necesitamos un dispositivo de medida cuya impedancia de entrada sea significativamente superior a 100 kΩ. La impedancia de entrada del LM358 es de varios MΩ, lo que es completamente suficiente para nuestros propósitos. Existen amplificadores operacionales con impedancias de entrada en el rango de GΩ.
A la salida del amplificador diferencial obtenemos exactamente la señal presente en sus entradas, pero con una impedancia de salida baja y por tanto perfectamente medible con el TDMM
Esquema del generador de rampa PWM
Figura 3: Esquema del circuito del generador de rampa
Me gusta construir circuitos útiles que puedan utilizarse una y otra vez en una tira de placa de circuito y colocar un conector en uno o ambos extremos. En este caso hay dos cabezales de 4 pines en cada extremo. Seguramente ya habrás soldado antes estos conectores a tus MCUs. Yo pego directamente el etiquetado de los pines en la placa.
Figura 4: El generador de rampas terminado
El circuito en sí es fácil de entender. El LM358 contiene dos amplificadores operacionales. La señal PWM de la patilla 5 del mini V3 D1 llega a la entrada no inversora del U2A a través de un filtro de paso bajo de R1/C1. El amplificador operacional se alimenta con +12 V. Por lo tanto, en relación con GND, sólo puede suministrar señales positivas en su patilla de salida 1.
El segundo amplificador operacional del chip de 8 patas se conecta a su salida. Funciona como un amplificador. Su ganancia se calcula a partir de V = 1 +R3/R2. Si ajustamos el potenciómetro R3 a cero ohmios, la amplificación es =1. Si se ajusta a 10 kΩ, la amplificación es 1 + 10/3,3, es decir, aprox. factor 4.
Como recibimos una señal PWM que corresponde con bastante precisión a 3,3 V a un ciclo de trabajo del 100%, obtenemos una tensión de hasta 4 x 3,3 V = 13,2 V en el pin de salida 7 del 2º amplificador operacional. Como nuestro circuito no puede representar un "perpetuum mobile" - la tensión de salida no puede ser superior a la de entrada - necesitamos una ganancia >3 una tensión de funcionamiento de 15 V. Entonces esto también funciona.
Si enviamos una señal PWM que aumenta gradualmente de 0% a 100% de ciclo de trabajo, deberíamos recibir una tensión estrictamente proporcional a la salida del módulo.
Como nuestra medición sólo puede ser tan buena como lo permitan nuestros métodos y equipos de medición, queremos enviar una señal de rampa desde el D1 mini V3 como primera medición y ver qué sale de ella. El boceto correspondiente se escribe en dos minutos:
Este es el bloque HTML Insertar "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
}
Podemos seguir el resultado en un osciloscopio o podemos aumentar el retardo(10) en el bucle y aumentar los incrementos, por ejemplo a 25, para poder seguir algunas medidas en el TDMM.
Figura 5: Comprobación de la linealidad
A primera vista, se aprecia una excelente linealidad entre el ciclo de trabajo (variable c, columna izquierda) y la tensión de salida. Obtenemos una tensión de salida media de 26,9 mV "por dígito" con una dispersión de sólo 100 µV. Se trata de un valor muy bueno.
Esquema del circuito del amplificador diferencial
Foto 6: Diagrama_de_circuito_del_amplificador_diferencial
Este circuito es más sencillo que para el primer módulo. Por favor, utiliza las resistencias de 22 kΩ del kit de resistencias AZ, aunque aquí sea de 24 kΩ. El valor exacto es irrelevante. Es importante que utilices las resistencias del 1% del kit de resistencias. De lo contrario, siempre tendrá una señal de error en la salida del amplificador operacional y por lo tanto un error sistemático incorporado.
Podemos arreglárnoslas con una precisión de unos pocos puntos porcentuales. En el uso profesional, es importante equilibrar con precisión el cero del circuito. Esto requiere amplificadores operacionales adecuados y circuitos mucho más complejos, que no ofrecen ninguna ventaja para nuestros propósitos.
Foto 7: Estructura del amplificador diferencial
Esta foto muestra el montaje en un pequeño trozo de placa de circuito. Esta vez he utilizado una regleta de conectores de 5 pines y también la he etiquetado.
El "amplificador" amplifica exactamente 1 : 1, es decir, nada. Lo que necesitamos es una tensión de salida referenciada a tierra (GND), que se medirá en la resistencia base de nuestro circuito, pero cuya señal de entrada no está referenciada a tierra. La impedancia de entrada en el DUT es muy alta, la impedancia de salida es muy baja. Pronto entenderá por qué esto es importante, porque ahora veremos el circuito de medida real.
Configuración de medición para determinar la curva característica
La configuración real de nuestras mediciones es sencilla y sólo varía mínimamente al medir las distintas curvas características.
Imagen 8: Configuración de la medición
Hemos elegido el transistor Q1, un BC548C, como muestra de ensayo. Se trata de un transistor npn de uso frecuente con una amplificación de señal pequeña en el rango 600 ... 900. La dispersión de la muestra es considerable, por lo que conviene realizar una medición.
Trabajamos con el llamado "circuito emisor". El emisor (pin 3) del transistor está conectado a tierra, la tensión de funcionamiento de +12 V a través de la resistencia de trabajo R4 de 680 Ω en el colector (pin 1).
La señal de nuestro generador de rampa se alimenta a la base (pin 2) a través de la resistencia de base bastante grande R5 de 100 kΩ. Nuestro amplificador diferencial -aquí sólo se muestra esquemáticamente, se entiende el circuito completo- amplifica la tensión en R5 a través de la resistencia, "flotando" por así decirlo. La corriente de base se calcula a partir de esta tensión y el valor conocido de la resistencia (I = U/R).
Es así de sencillo, pero no deja de ser sumamente interesante lo que aprendemos de las mediciones, que analizaremos en detalle en la próxima entrada del blog.
Utilización del TDMM para las mediciones
Originalmente programamos el TDMM para que mostrara continuamente los valores medidos en la pantalla y enviara los valores de U, I y R a través de la interfaz USB.
Esta función resulta ser un obstáculo cuando realizamos nuestras mediciones en el transistor. Queremos dar al transistor una tensión en la base, permitir que fluya una corriente de base y determinar cómo amplifica esta corriente en el trayecto colector-emisor.
Si los valores proceden constantemente del TDMM de forma descoordinada, no es posible ejecutar un programa de medición. Queremos fijar un valor y medir el resultado. Acción >> Reacción. Pero sin medición continua.
Para hacerlo posible, he añadido tres instrucciones a nuestro procesador de comandos. Esa ha sido siempre una idea con el TDMM: poder añadir más instrucciones y más capacidades.
Proporciono el código .ino completo con este proyecto.
Recibimos estas nuevas instrucciones en el TDMM:
así que serie apagada Se acabó la salida continua de datos
sa serie activa Salida de datos de corriente activa
su medida U única Realiza la medición individual de la tensión y emite el resultado
Ahora estamos preparados para realizar las mediciones de la curva característica de entrada, la curva característica de salida y curva característica de control. Para ello, ampliamos nuestro boceto para el D1 mini V3 y escribimos un programa Python para controlar el D1 mini V3 y el TDMM.
La segunda entrada del blog trata en detalle las mediciones y su evaluación.
Hasta entonces,
Saludos cordiales
Michael Klein
1 comentario
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.