|
Ieder onderdeel heeft een grafiek waarin u de stroom die door het onderdeel vloeit uitzet in functie van de spanning over het onderdeel. Deze grafiek geeft het verloop van de dynamische weerstand van het onderdeel. Met dit eenvoudig zelfbouw project kunt u deze transferkarakteristiek op het scherm van uw scoop zetten. |
De transferkarakteristiek van een onderdeel
Karakteristiek voor één onderdeel
De transferkarakteristiek vormt als het ware het paspoort van een elektronisch onderdeel. U kunt er een heleboel gegevens van het onderdeel uit afleiden. Het zal dan ook geen verbazing wekken dat de beste testmethode om de conditie van een elektronisch onderdeel te onderzoeken erin bestaat deze transferkarakteristiek op het scherm van uw oscilloscoop te schrijven.
Alleen mogelijk in de XY-modus van uw scope
Dit is alleen mogelijk als uw oscilloscoop over de zogenaamde 'XY-modus' beschikt. In deze modus wordt de tijdbasis uitgeschakeld en wordt de horizontale as van de scoop gekoppeld aan de spanning die u op het tweede kanaal CH2 aanlegt. Bij de meeste moderne digitale apparaten vindt u deze optie in het 'Display-menu'.
 |
| Het selecteren van de 'XY-modus' bij de DSO5102P van Hantek. (© 2018 Jos Verstraten) |
In onderstaande figuur is de transfer- of uitgangskarakteristiek van een NPN-transistor getekend. Op de horizontale as wordt de collector/emitter-spanning Uce uitgezet, op de verticale as de collectorstroom Ic die daarvan het gevolg is. Omdat een transistor drie aansluitingen heeft en de stroom die door de basis vloeit de eigenschappen van het onderdeel mede bepaalt, bestaat de transferkarakteristiek van een transistor uit een bundel grafieken, die ieder het verband tussen de Uce en de Ic voor een welbepaalde grootte van de basisstroom definiëren.
Uit deze grafieken blijkt dat een transistor bij kleine waarden van de collector/emitter-spanning een kleine inwendige weerstand heeft. Bij de geringste variatie van de spanning neemt de collectorstroom immers behoorlijk toe of af. Boven een bepaalde drempel gaan de karakteristieken tamelijk horizontaal verlopen, hetgeen overeen komt met een zeer grote inwendige weerstand. Wel blijkt dat de waarde van de dynamische weerstand ook afhankelijk is van de basisstroom. Als deze grootheid stijgt zal de grafiek minder vlak verlopen en zoals geschreven, hoe groter de helling, hoe lager de inwendige weerstand!
Kortom, de transferkarakteristiek van een transistor vormt als het ware een röntgenfoto van het onderdeel, die volledig en ondubbelzinnig uitsluitsel geeft over de lichamelijke gezondheid van de halfgeleider.
 |
| De transferkarakteristiek van een NPN-transistor. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het principe van curvetracing
Curvetracer
Voor het opnemen van de transferkarakteristiek van een elektronisch onderdeel zijn er mooie apparaten op de markt, zogenaamde curvetracers of karakteristieken schrijvers. Deze worden verbonden met het te testen onderdeel en met de horizontale en verticale versterkers van een oscilloscoop, die op X/Y-mode ingesteld wordt.
Zoals uit onderstaande figuur blijkt, stuurt het apparaat bepaalde spanningen en stromen naar het onderdeel en meet zowel het verloop van de spanning over als het verloop van de stroom door het onderdeel.
Deze twee grootheden worden eventueel nog eens versterkt en nadien aangeboden aan de twee versterkers van de oscilloscoop. Omdat de tijdbasis van dit apparaat is uitgeschakeld zal de 'spot' in horizontale richting beïnvloed worden door de grootte van het ene signaal en in verticale richting door de grootte van het tweede signaal van de curvetracer. De transferkarakteristiek of de bundel uitgangsgrafieken verschijnt op het scherm.
 |
| Het principe van een curvetracer. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een curvetracer bestaat steeds uit een zaagtandgenerator, die een lineair stijgende spanning Uc over het onderdeel zet. Op deze manier wordt de horizontale as van de transferkarakteristiek nagebootst, waar immers ook de spanning over het onderdeel varieert van nul tot een bepaalde maximale waarde.
Om de bundel grafieken van de uitgangskarakteristiek van een transistor op te wekken wordt er voor iedere zaagtand een andere stroom in de basis gestuurd. Een curvetracer bevat dus als tweede belangrijke blok een trapspanningsgenerator Ub, die gesynchroniseerd wordt met de zaagtandgenerator.
De spanning over het te testen onderdeel staat tussen de massa en de collector en kan dus zonder meer worden afgetakt van de collector en aangeboden aan de horizontale versterker van de oscilloscoop. Iets moeilijker is het om de stroom door het onderdeel te meten. Dat kan alleen door een kleine weerstand Rc in serie met het te testen onderdeel op te nemen en de spanningsval over deze weerstand te meten. Deze is immers, zie de Wet van Ohm, proportioneel met de grootte van de stroom die er doorheen vloeit. U kunt de spanningsval meten door de spanningen tussen beide aansluitingen van de weerstand en de massa van elkaar af te trekken in een verschilversterker. Aan de uitgang van deze versterker staat een spanning, die recht evenredig is met de grootte van de stroom door de weerstand en dus door het te testen onderdeel. Deze spanning stuurt de verticale versterker van de oscilloscoop.
Het blokschema van de zelfbouw curvetracer
Het blokschema van de op deze pagina beschreven curvetracer is getekend in onderstaande figuur. Een zaagtandoscillator wekt een symmetrische zaagtand op met als spanningsgrenzen ±12 V. Dit signaal wordt nadien versterkt in een stroomversterker, zodat de uitgang van de schakeling collectorstromen tot ongeveer 50 mA kan leveren. Door middel van de schakelaar S1 kunt u twee voorschakelweerstanden met een verhouding van 1/10 in serie met het te testen onderdeel opnemen. Het apparaat heeft dus twee stroombereiken. De spanning over deze voorschakelweerstand wordt in een verschilversterker omgezet in een spanning, evenredig met de stroom.
De uitgang van de zaagtandoscillator stuurt de trapspanning generator, die een positieve en uit vier treden bestaande trapspanning genereert. Dit signaal wordt geïnverteerd, zodat u via de omschakelaar S2 zowel positieve als negatieve signalen voor de basis of de gate aan het te testen onderdeel kunt aanbieden.
U kunt dus vier grafieken van de bundel op het scherm zetten, hetgeen in de praktijk meer dan voldoende is. Noteer dan de spanning voor alle te testen onderdelen symmetrisch is en dat er dus ook aan een NPN-transistor een negatieve spanning word aangeboden. Dat heeft zijn voor- en nadelen, maar een van de grootste voordelen is wel dat u het ongeveer symmetrische gedrag van een FET mooi kunt bestuderen.
 |
| Het blokschema van de beschreven curvetracer. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het praktisch schema
De klokgenerator
Uiteraard moet het geheel worden gestuurd door een klokgenerator, die de timing van het geheel regelt. Het hart van deze schakeling wordt gevormd door een dubbele flip-flop IC1 van het CD4013B type. De linker schakeling is als astabiele multivibrator geschakeld. De eerste vrij originele oplossing, die minstens één IC bespaart. Hoe die schakeling werkt volgt uit de grafieken van de spanningen S1 tot en met S4. Stel dat op tijdstip t1 de Q1-uitgang (S1) 'H' wordt. De condensator C2, verbonden met de reset van de flip-flop, zal zich langzaam via weerstand R2 uit deze hoge spanning opladen. Na een bepaalde tijd, om precies te zijn op tijdstip t2, zal de spanning over de condensator de reset-drempel van de schakeling bereiken. De flip-flop reset, de uitgang Q1 gaat naar 'L' en de Q1-NIET uitgang (signaal S2) wordt 'H'. Condensator C2 ontlaadt erg snel naar de lage Q-uitgang via de diode D2. Ondertussen begint condensator C1 uit de hoge Q1-NIET uitgang op te laden via weerstand R1. Deze condensator is verbonden met de set van de flip-flop en na een bepaalde tijd wordt de spanning over dit onderdeel groter dan de set-waarde en de flip-flop set. Q1 wordt weer 'H', Q1-NIET weer 'L' en de volgende cyclus kan beginnen.
De schakeling wekt dus een symmetrische blokspanning op, waarvan de frequentie wordt bepaald door de waarde van de onderdelen R1, R2, C1 en C2. De rechter flip-flop uit de CD4013B is geschakeld als tweedeler. Dat is een bekende schakeling, die tot stand komt door de Q2-NIET uitgang rechtstreeks te verbinden met de D2-ingang. Bij iedere positieve flank van het kloksignaal zal de Q2-uitgang de waarde van D2 overnemen. Omdat D2 steeds tegengesteld is aan de spanning op Q2 (immers verbonden met de Q2-NIET) zal de flip-flop bij iedere positieve klok-flank omschakelen. Op punt S5 staat dus ook een blokgolf, maar met de halve frequentie van de signalen S1 en S2.
 |
| Het schema van de klokgenerator en de trapspanning generator. (© 2018 Jos Verstraten) |
De blokgolven S2 en S5 worden aangeboden aan een heel eenvoudige digitaal naar analoog omzetter, samengesteld uit de weerstanden R3, R4, R5 en R6. Op tijdstip t1 zijn zowel S2 als S5 'L'. Op het knooppunt S6 van de vier weerstanden ontstaat een kleine positieve spanning, waarvan de waarde wordt bepaald door de onderlinge verhouding van de weerstanden. R4, R5 en R6 gaan naar de massa, alleen R3 voert stroom aan uit de positieve voedingsspanning.
Op tijdstip t2 wordt S2 'H'. Nu voeren R3 en R4 stroom aan naar punt S6, R5 en R6 zijn nog steeds met de massa verbonden. Het gevolg is dat de spanning op punt S6 iets stijgt. Op tijdstip t3 wordt S2 weer 'L', maar wordt S5 'H'. Omdat R5 kleiner is dan R4 wordt er meer stroom aangevoerd, zodat de spanning op S6 weer iets zal stijgen. Op tijdstip t4 zijn zowel S2 als S5 'H' en zijn de weerstanden R3, R4 en R5 met een positieve spanning verbonden. De spanning op S6 stijgt tot een maximale waarde.
Het gevolg is dat op punt S6 een positieve viertredige trapspanning ontstaat, waarbij er door de selectie van de weerstanden voor gezorgd is dat iedere trede even hoog is.
Deze spanning wordt door de bufferversterker IC2 gebufferd, de uitgang van deze schakeling stuurt enerzijds via punt D de PNP/NPN-omschakelaar S1 (zie later) en anderzijds de inverterende versterker IC3. Deze inverteert het positieve trapsignaal, zodat aan de uitgang op punt S7 een gelijkvormige maar negatief verlopende trapspanning ontstaat. Deze gaat via punt C naar de tweede pool van de reeds genoemde omschakelaar S1.
 |
| De timing van de klokgenerator en de trapspanning generator. (© 2018 Jos Verstraten) |
De twee trapspanningen op de punten C en D gaan naar de omschakelaar S1, zie het tweede deel van het schema in de onderstaande figuur. Het moedercontact van deze schakelaar stuurt via de weerstanden R18 en R19 een instelbare stroom in de basis van de te testen halfgeleider.
Als u de spanningen op de set- en reset-ingangen van IC1a bekijkt, zie de grafieken S3 en S4, dan zult u vaststellen dat beide punten min of meer zaagtandvormige spanningen voeren. Weliswaar zijn beide signalen niet zuiver periodiek, maar als u de twee signalen optelt dan ontstaat wél een mooie periodiek verlopende zaagtand.
Dat is nu precies wat er gebeurt in de schakeling rond IC4. De set- en reset-signalen worden via de punten A en B en de weerstanden R12 en R13 aangeboden aan de inverterende ingang van de operationele versterker. Naast deze twee positieve signalen wordt er via weerstand R11 een negatieve spanning aangevoerd, afkomstig van de instelpotentiometer R10.
Omdat de niet-inverterende ingang van de op-amp aan de massa ligt via weerstand R14 en de schakeling is tegengekoppeld via weerstand R15 zal de spanning op de inverterende ingang ook nul zijn. In feite is de schakeling stroomgestuurd en leveren de weerstanden R11, R12 en R13 stromen aan het knooppunt. Om toch een indruk te krijgen van de werking van deze trap is een imaginair signaal S8 ingevoerd, de spanning die op dat punt zou ontstaan als het systeem niet naar nul zou streven. Om dat imaginaire signaal S8 te compenseren moet er op de uitgang van de schakeling een geïnverteerd signaal ontstaan.
 |
| Het schema van de eindtrappen van de curvetracer. (© 2018 Jos Verstraten) |
De op-amp IC4 wordt afgesloten met een complementaire eindtrap, die in de tegenkoppeling is opgenomen en er voor zorgt dat de zaagtand met een stroom van ongeveer 50 mA belast kan worden.
Deze spanning gaat via de weerstand R21 naar de collector van het te testen onderdeel. Door het sluiten van schakelaar S2 kunt u de weerstand met een factor tien verlagen.
De spanning op de collector gaat rechtstreeks naar de horizontale versterker van de scoop. Over de serieweerstand is een verschilversterker IC5 aangesloten, die de spanningsval over de weerstand berekent en dit met de collectorstroom evenredig signaal aan de verticale scoop-ingang aanbiedt.
 |
| Het ontstaan van de 'zaagtand' die het te testen onderdeel van spanning voorziet. (© 2018 Jos Verstraten) |
De voeding is getekend in onderstaande figuur en is uiterst traditioneel van opbouw. Uit een printvoedingstrafo van 2 x 15 V worden met behulp van 7815 en 7915 stabilisatoren spanningen van ±15 V afgeleid. De condensatoren C8 en C9 zijn over de print verspreid aangebracht tussen de voedingsbanen en ontkoppelen de volledige schakeling.
 |
| De voeding voor de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bouw van de impedantie tracer
De print en de componentenopstelling
U kunt alle onderdelen plaatsen op de print van onderstaande figuur, zodat een zeer compact en gemakkelijk te behandelen geheel ontstaat. Denk er echter wel steeds aan dat ook de netspanning op de print aanwezig is!
Enige richtlijnen zijn wellicht op hun plaats:
- Er zijn drie draadbruggen noodzakelijk, twee onder de potentiometer R18 en een in de buurt van de instelpotentiometer R10.
- Hoewel dat niet noodzakelijk is, is bij het prototype gebruik gemaakt van een stereo-uitvoering voor R18, dit omdat zo'n onderdeel veel stabieler en steviger op de print staat.
- De drie drukschakelaars in printuitvoering kunnen uiteraard vervangen worden door tuimelschakelaars die u op een frontplaatje bevestigt.
- De LED D7 is gemonteerd in een haakse houder. De scoop wordt met afgeschermde snoertjes verbonden met de drie printpennen die achter LED D7 staan. De middelste printpen is de gemeenschappelijke massa.
- Aan de printpennen 'E', 'B' en 'C' wordt een ongeveer 80 cm lang drie-aderig vlak bandkabeltje gesoldeerd, dat door middel van een uit een netstekker gesloopte trekontlasting wordt gefixeerd op de print.
- Aan de andere zijde van dit kabeltje kunt u drie 'mini-clips' solderen zodat u de te testen onderdelen zeer gemakkelijk met de impedantie tracer kunt verbinden.
 |
| De print voor de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
In gebruik nemen van de impedantie tracer
Afregelen
Het enige dat u moet afregelen is de symmetrie van de collectorspanning. Schakel de scoop tussen de massa en de aansluitlip 'C' en regel met R10 af tot de zaagtandspanning symmetrisch is ten opzichte van de massa. Voor de zekerheid kunt u ook nog de spanning op soldeerlip 'B' controleren voor beide standen van de schakelaar S1. In beide standen moet een trapvormige spanning zichtbaar zijn, in de ene stand positief en de andere stand negatief.
Het werken met de impedantie tracer
Een aantal voorbeelden
Aan de hand van schermbeeld foto's worden de karakteristieken die op het scherm verschijnen bij het testen van verschillende soorten onderdelen in het kort besproken. Bij de weerstand en de dioden moet u de onderdelen uiteraard aansluiten tussen 'E' en 'C' en blijft 'B' ongebruikt.
Weerstanden
Dat de Heer Ohm het bij het rechte einde had toen hij zijn beroemde wet formuleerde blijkt uit onderstaand beeld dat op het scherm verschijnt als u een weerstand op de impedantie tracer aansluit. De rechte lijn wijst op het lineaire verband tussen spanning over en stroom door een weerstand. De helling van de lijn hangt (behalve uiteraard van de instelling van de scoop-versterkers) alleen af van de waarde van de weerstand.
 |
| De impedantie trace van een weerstand. (© 2018 Jos Verstraten) |
Duidelijk is te zien hoe een diode spert bij negatieve spanningen tussen anode en kathode en gaat geleiden als de spanning omkeert van polariteit.
 |
| De impedantie trace van een silicium diode. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een heel fraai plaatje, waaruit zowel het geleidingskarakter voor positieve spanningen als het doorslagkarakter voor negatieve spanningen volgt! Doordat de maximale negatieve spanning van de zaagtand echter maar -12 V is, kunt u geen zenerdioden met een doorslagspanning van meer dan ongeveer 10 V testen.
 |
| De impedantie trace van een zenerdiode. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bekende uitgangskarakteristiek van de eerste afbeelding van dit artikel op het scherm! De vreemdsoortige knikken in de grafieken aan het einde van de lijnen hebben niets te maken met de transistor zelf, maar alles met de niet ideale vorm van de zaagtandspanning. De terugslag van de zaagtand ontstaat, denk even terug aan de schema-beschrijving, door het ontladen van de set- en reset-condensatoren via dioden naar de lage uitgangen van de flip-flop. Nu is dat geen ideaal systeem, want deze uitgangen hebben een tamelijk hoge impedantie. Het duurt dus even alvorens alle lading is afgevloeid en de terugslag van de zaagtand neemt enige tijd in beslag. Dit is op het scherm duidelijk zichtbaar als schoonheidsfoutje, maar uiteraard is dit verschijnsel niet storend voor het interpreteren van de metingen. De geteste transistor heeft een zeer lage inverse doorslagspanning. Kijk maar naar het linker beelddeel, waar een zenerachtige karakteristiek ontstaat.
 |
| De impedantie trace van een laagvermogen NPN-transistor. (© 2018 Jos Verstraten) |
Duidelijk blijkt uit dit beeld dat de geteste transistor een tamelijk hoge lekstroom heeft. De negatieve delen van het beeld (links) lopen namelijk niet vlak, maar hebben een duidelijk merkbare helling. Dit verschijnsel werd opzettelijk opgewekt door de halfgeleider flink heet te stoken met een soldeerbout tot het beeld volledig op hol sloeg en nadien de transistor weer te laten afkoelen. Deze eenmalige mishandeling bleek dus blijvende gevolgen te hebben!
 |
| De impedantie trace van een (mishandelde) hoogvermogen NPN-transistor. (© 2018 Jos Verstraten) |
Uiteraard draait het beeld nu rond de assen (vergeet niet schakelaar S1 in de andere stand te zetten!). Ook nu is het begin van doorslag merkbaar.
 |
| De impedantie trace van een laagvermogen PNP-transistor. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een heel fraai beeld waaruit duidelijk de ongeveer symmetrische werking van een FET blijkt. Het maakt weinig uit of u de drain positief of negatief maakt ten opzichte van de source. De curve kan verdeeld worden in de brede pinch-off zone rond de nul en nadien het lineaire gebied.
 |
| De impedantie trace van een laagvermogen FET. (© 2018 Jos Verstraten) |
Sensoren aan de Raspberry Pi
