Transistor-kurve tracer
Er bestaan vele manieren om transistoren te testen, maar elke methode heeft wel zo zijn beperkingen omdat meestal slechts een transistor-parameter gemeten wordt. Deze transistor-kurve-tracer meet gelijktijdig alle belangrijkste eigenschappen. De gemeten transistor-karakteristiek wordt als een keurige grafiek op .een oscilloskoop zichtbaar gemaakt. Dat is dan meteen de beperking van deze schakeling: je moet er wel een skoop voor hebben. Een tweede beperking is dat gezien de eenvoud van de schakeling alleen NPN-transistoren "ge-traced" kunnen worden, maar dat gaat dan ook uit de kunst.
Het is beslist niet overdreven om te stellen dat in de elektronica de transistor de meest cruciale rol speelt. Akkoord, ook passieve komponenten zoals weerstanden en kondensatoren zijn onmisbaar, maar het is pas sinds de uitvinding van de transistor eind veertiger jaren door Bardeen, Brat-tain en Shockley dat de elektronica zo'n hoge vlucht heeft genomen. Ook is het tegenwoordig zo dat schakelingen met diskrete (= losse) transistoren meer en meer verdrongen worden door IC's, maar die IC's bestaan uiteindelijk ook weer uit vele transistoren (tot honderdduizenden toe). Men zegt wel eens dat we na het stenen, bronzen en ijzeren tijdperk nu in het silicium tijdperk zijn aangekomen.
Gezien het belang van transistoren in de elektronica, is het vanzelfsprekend dat u ze in de schakelingen in dit blad veelvuldig tegenkomt. En iedereen die regelmatig schakelingen opbouwt, al dan niet uit Elex, krijgt vroeg of laat te maken met het fenomeen: "hij doet het niet". Hoewel het niet werken van een schakeling veel vaker te wijten is aan een slechte soldeerverbinding of een verkeerd geplaatste komponent, kan het in bepaalde gevallen nodig zijn de onderdelen afzonderlijk door te meten. Weerstanden, dioden en soms ook kondensators zijn met een normale universeelmeter nog wel te testen, maar bij transistoren ligt het moeilijker. Een eenvoudige goed/fout-test kan weliswaar uitgevoerd worden door een transistor als twee tegen- gesteld in serie geschakelde dioden op te vatten (figuur 1), maar over een belangrijke transistoreigenschap als de stroomversterking tast u dan nog in het duister. Deze transistorkurve-tracer voert een heel wat grondigere test uit. Om de werking ervan te begrijpen, is het echter ook nodig dat u goed begrijpt hoe een transistor nu eigenlijk werkt. Daar gaan we dan nu ook wat dieper op in.
Figuur 1. De eenvoudigste methode om transistoren te testen, is door ze op te vatten als twee tegengesteld in serie geschakelde dioden: de basisemitter-diode en de basiskollektor-diode. Met de multimeter in het,weerstandsbereik kunnen de diodeovergangen gemeten worden.
Transistor-basisbegrippen
Een transistor heeft drie aansluitingen (basis, emitter en kollektor) maar wordt, bij het beschrijven van zijn elektrische eigenschappen, vaak beschouwd als vierpool! Dat is mogelijk omdat een aansluiting, meestal de emitter, gemeenschappelijk door de in- en de uitgang gebruikt wordt (figuur 2). We spreken dan ook wel van een gemeenschappelijke-emitterschakeling. De vierpool uit figuur 2 heeft twee aansluitingen als ingang (basis en emitter) en twee als uitgang (kollektor en emitter). Elektrisch gezien zijn er vier belangrijke grootheden te specificeren: de ingangs-basis-stroom (Ib), de ingangsspanning (Ube), de uitgangs kollektor-stroom (Ie) en de uitgangsspanning (Vee). De "b", "e" en "c" refereren natuurlijk aan de basis, emitter en collektor, waarbij die laatste volgens goed Engels met een c wordt geschreven.
Figuur 2. De transistor als vierpool. De emitter wordt gemeenschappelijk door de ingang en de uitgang gebruikt.
De meest essentiële en daarmee belangrijkste eigenschap van een transistor (en wat ons betreft mag u de rest van dit verhaal vergeten als u dit maar onthoudt) is dat hij een basisstroom min of meer evenredig omzet in een kollektorstroom. Met dat evenredig wordt bedoeld dat er een vast verband, een vaste verhouding, bestaat tussen de grootte van de basisstroom en de daaruit voortvloeiende grootte van de kollektorstroom. Die verhouding is de roemruchte gelijkstroomversterkingsfaktor van een transistor, vaak aangeduid als a' of HFE.
Figuur 3a. Transistor als stroom-naar-stroomversterker; de basisstroom wordt versterkt tot een kollektorstroom.
3b. Stroom-naar-spanningversterker; de kollektorstroom wordt door een weerstand in een spanning omgezet.
3c. Spanning-naar-spanningversterker; ingangsspanning wordt eerst door de basisweerstand in een basisstroom omgezet.
Een bepaalde basisstroom heeft dus een bepaalde kollektorstroom tot gevolg die a' maal zo groot is als de basisstroom (figuur 3a). De ingangsspanning op de basis is daarbij min of meer konstant (0,6 0,7 V, de doorlaatspanning van de basis-emitter-diodeovergang) en de uitgangsspanning wordt geheel bepaald door de manier waarop de kollektor is aangesloten. De kollektor kan rechtstreeks verbonden zijn met de plus van de voeding, waarbij het voor de kollektorstroom niet uitmaakt hoe hoog de voedingsspanning is, die wordt immers alleen door de basisstroom bepaald. Een transistor werkt als stroombron.
Nu is het mogelijk dat niet een uitgangsstroom, maar een uitgangsspanning gewenst is. Geen enkel probleem, want een enkele weerstand in de kollektorleiding kan de kollektorstroom omzetten naar een spanning (figuur 3b). We hebben zo een versterker gekregen die een ingangsstroom (Ib) omzet naar een uitgangsspanning (Ic × R; wet van Ohm). Daarbij moet u zich realiseren dat bij een grotere basisstroom, en dus een grotere kollektorstroom, de uitgangsspanning (ten opzichte van de emitter) lager wordt. De toenemende spanning over de kollektorweerstand wordt namelijk afgetrokken van de voedingsspanning als gevolg van de richting van de kollektorstroom. Men zegt daarom wel dat een transistor als inverterende (= omdraaiende) versterker werkt.
Ook is het mogelijk een transistor als spannings/ spanningsversterker te gebruiken (3c). Als we een (harde) ingangs spanning hebben, dan kan die niet zondesmeer op de basis gezet worden. Elke geforceerd opgelegde spanning hoger dan de normale basisspanning van 0,7 V zal immers een (te) grote basisstroom veroorzaken met het risiko dat de transistor kapot gaat. Met een weerstand in serie met de basis kan de ingangsspanning eerst in een basisstroom omgezet worden. Die basisstroom wordt versterkt tot een kollektorstroom en de kollektorweerstand zet die kollektorstroom weer om in een uitgangsspanning. Een kleine komplikatie is dat de ingangsspanning feitelijk verminderd wordt met de vaste 0,6 V basis-emitter-spanning, maar dit probleem wordt in de praktijk omzeild met de zogenaamde gelijk-stroominstelling. Hier gaan we daar niet verder op in, maar we zullen het onderwerp beslist nog eens in Elex behandelen.
Transistorkarakteristiek
Fabrikanten van transistoren moeten duidelijk maken hoe die transistoren zich gedragen, wat de eigenschappen zijn. Daarbij wordt veel met tabellen gewerkt, maar het precieze gedrag is beter weer te geven in een grafiek. Verreweg de meestzeggende grafiek is de zogenaamde uitgangskarakteristiek. Figuur 4 toont als voorbeeld de uitgangskarakteristiek van de bekende BC 107. Op de vertikale as is de kollektorstroom uitgezet. Op de horizontale as staat de kollektor-emitter-spanning. De karakteristiek laat zien hoe de kollektorstroom reageert op het veranderen van de kollektor-emitter- spanning bij verschillende waarden van de basisstroom. Van een ideale transistor zouden de lijnen horizontaal moeten lopen; de kollektorstroom is konstant, in grootte alleen afhankelijk van de basisstroom, en onafhankelijk van de kollektor-emitter-spanning. We zien dat in werkelijkheid de kollektorstroom wel degelijk beïnvloed wordt door de kollektor-emitter-spanning. Dit zogenaamde early-effekt is met name bij grote kollektorstromen te zien. Naarmate het meer optreedt, gedraagt de transistor zich als minder ideale stroombron. Ook de stroomversterkingsfaktor is uit figuur 4 af te leiden. Bij de 50-µA-lijn zien we een (gemiddelde) kollektorstroom van zo'n 12,5 mA. De stroomversterking komt daarmee op 12,5 mA/0,05 mA = 250; (N.B. 50 µA = 0,05 mA). Nog een gegeven dat zich laat aflezen uit de karakteristiek is dat bij een kleine kollektor-emitter-spanning (0,4 V) de kollektor niet meer goed als stroombron kan werken; de kollektorstroom zakt in elkaar. Een ontwerper moet bij het ontwerp van zijn schakeling rekening houden met deze zogenaamde kniespanning.
Figuur 4. De uitgangskarakteristiek zoals die door de fabrikant voor de BC 107 opgegeven wordt.
Blokschema
De transistor-kurve-tracer is in staat van een NPNtransistor de hierboven beschreven transistorkarakteristiek op een oscilloskoopscherm te tekenen. Daarmee kan men van een "transistor onder test" direkt de belangrijkste gegevens bepalen. Dit kan handig zijn om te kijken of een transistor nog goed werkt, om onbekende transistoren (vaak als dumppartij tegen spotprijzen aangeboden) aan de tand te voelen en om transistoren te "paren" (te selekteren op gelijke eigenschappen zoals stroomversterking).
De belangrijkste ingrediënten van de transistor-kurvetracer zijn te destilleren uit het blokschema (figuur 5). Een zaagtandgenerator zorgt voor het opwekken van de kollektoremitterspanning die we in dit geval laten lopen van 0 tot ruim 10 V. Een simpel versterkertrapje moet ervoor zorgen dat vanuit de zaagtandgenerator voldoende kollektorstroom voor de te testen transistor geleverd kan worden.
Het blok linksonder is een variabele stroombron die de basisstroom van de te testen transistor in acht stappen met steeds 25 µA verhoogt.
Figuur 5. Blokschema van de transistor-kurve-tracer.
De volautomatische meetprocedure verloopt als volgt:
- er wordt een bepaalde basisstroom ingesteld (te beginnen met 0 µA);
- de zaagtandgenerator verhoogt geleidelijk aan de spanning op de kollektor;
- bij het bereiken van de maximale zaagtandspanning wordt de zaagtandgenerator ge-reset en de basisstroom verhoogd met 25 µA;
- punten 2 en 3 worden herhaald, na acht cycli wordt de basisstroom weer nul en begint de procedure van voor af aan.
Van de geteste transistor moet zowel de kollektor- emitter-spanning als de kollektorstroom met een oscilloskoop gemeten worden. Bij beide metingen moet echter een beetje gefoeteld worden. Niet de kollektorstroom doch de emitterstroom meten we, en wel als een spanning over stroommeetweerstand R1. De emitterstroom is feitelijk iets groter dan de kollektorstroom; het is namelijk de kollektorstroom plus de basisstroom. Omdat de basis stroom (gelukkig) veel kleiner is dan de kollektorstrooin, is de meetfout maar heel klein (in de praktijk al gauw kleiner dan 1%). Ook met het meten van de kollektor-emitterspanning wordt een kleine meetfout gemaakt omdat tevens de spanning over de stroommeetweertand meegenomen wordt. Nu is de meetweerstand slechts 1 Ω, dus bij bijvoorbeeld 100 mA kollektorstroom bedraagt de meetfout 0,1 V ten opzichte 10 V totale kollektoremitter-spanning, geen grote fout dus. Dat we zo meten, en niet de "echte" kollektorstroom en kollektoremitterspaning heeft twee redenen. Allereerst de plaats van het massa-meetpunt: dit kan nu gelijk aan de massa van de schakeling gekozen worden. Anderzijds zou bij een meting op andere wijze de karakteristiek op zijn kop of gespiegeld op het skoopscherm komen te staan, en niet elke skoop heeft per ingang een "invert-knopje" om het beeld weer recht te zetten.
De zaagtandgenerator loopt zo snel en de lijnen worden daarom zo snel herhaald op het skoopscherm, dat het resultaat een normaal stilstaand plaatje zal zijn (zie ook figuur 9).
Schakeling
| R1 | 1 Ω |
| R2 | 33 Ω |
| R3 | 470 Ω |
| R4 | 1k |
| R5 | 100 k |
| R6,R7 | 10 k |
| R8,R9 | 22 k |
| R10...R14 | 220 k |
| C1 | 470 n |
| C2 | 2n2 |
| C3 | 100 n |
| C4 | 10 µF/16 V |
| C5 | 220 µF/25 V |
| D1 | zener 12 V/400 mW |
| D2...D4 | 1N4148 |
| D5...D8 | 1N4001 |
| T1...T3 | BC 557B |
| T4,T5 | BC 547B |
| IC1 | 4024 |
| IC2 | 7815 |
| EPS 886087 |
Figuur 6. Het schema.
De opgaande helling van de zaagtand wordt verzorgd door een stroombron (T1, R3, R4 en D1) en een kondensator. D1 zorgt voor een vaste basisspanning van T1 van 12 V. De spanning op de emitter ligt daarmee ook vast (12 V + 0,7 V) en met de gegeven waarde van R3 levert de kollektor van T1 een konstante stroom van ongeveer 5 mA. Deze stroom wordt gebruikt om C1 op te laden: de spanning over C1 stijgt lineair (volgens een rechte stijgende lijn). T2 en T3 bewaken de uitgangsspanning van de zaagtandgenerator. Zolang die uitgangsspanning nog niet maximaal is, zal T3 via R5 in geleiding worden gehouden. T2 is nu uit geleiding. Bereikt de zaagtand zijn maximale waarde (12 V - 0,7 V basis-emitter spanning van T3), dan gaat T3 uit geleiding. Omdat de spanning op de kollektor van T3 nu door R6 naar massapotentiaal getrokken zal worden komt T2 via R8 in geleiding. De spanning op de kollektor van T2 stijgt snel tot nagenoeg 12 V en daarmee zal via R9 ook T5 in geleiding gebracht worden. T5 zorgt voor het snel ontladen van kondensator C1 (neergaande flank van de zaagtandspanning). Nu zou zodra het ontladen van C1 begint T3 weer in geleiding willen komen. Dat is niet gewenst omdat eerst C1 geheel ontladen moet worden. Met C2 wordt dit voorkomen. Bij het in geleiding komen van T2 wordt via C2 een positieve spanningspuls op de basis van T3 gezet, zodat deze bepaalde tijd geforceerd uit geleiding zal blijven, lang genoeg om C1 geheel te ontladen. T4 is als emittervolger geschakeld en zorgt ervoor dat de zaagtandgenerator voldoende stroom kan leveren aan de te testen transistor.
Figuur 7. Layout en komponentenopdruk van het printje dat in de printservice verkrijgbaar is (zie pag. 2).
IC1 is een teller-IC en wordt hier gebruikt voor het instellen van de basisstroom. Via de binair tellende uitgangen van IC1, die met behulp van R10... R14 als stroombron zijn geschakeld, wordt een trapvormig toenemende basisstroom opgewekt. Elke "trede" van de trap vertegenwoordigt een toename van de stroom met 25 µA. Iedere keer als de zaagtandgenerator gereset wordt, krijgt IC1 een klokpuls en wordt de volgende waarde van de basisstroom ingesteld. Omdat drie uitgangen gebruikt worden, wordt de transistor getest bij 23 = 8 verschillende basisstromen (O...175 µA).
Een gestabiliseerde voeding is noodzakelijk voor een mooi stilstaand plaatje. Op het printje dat bij deze schakeling hoort, is daarom een kleine 15 V voeding opgenomen. Deze rond een 7815 opgebouwde voeding is links onder in het schema terug te vinden.
Bouwen en aansluiten
Voor de schakeling is een keurig printje ontworpen dat via de printservice geleverd kan worden. Die print is vertind en voorzien van een soldeermasker en een komponentenopdruk. Daardoor kan de opbouw in een handomdraai verwezenlijkt worden. Plaats IC1 bij voorkeur in een IC-voetje en let op de polariteit van de dioden en de elko (C5). De spanningsregelaar (IC2) hoeft niet extra gekoeld te worden.
Voor de voeding van de schakeling kan een klein transformatortje (min. 4,5 VA) gebruikt worden die 15 V wisselspanning moet leveren. Voor het juist aansluiten van de 220-V-kant kunt u de veiligheidsregels op pagina 5 raadplegen. Ook een treintrafo die voldoende spanning levert (Märklin bijvoorbeeld) mag u wat ons betreft gebruiken. De te testen transistor (alleen NPN-types!!) kan via korte meetsnoertjes die bijvoorbeeld voorzien zijn van geïsoleerde krokodillebekklemmetjes of zogenaamde test-clips aangesloten worden.
Behalve deze schakeling is zoals gezegd ook nog een oscilloskoop nodig die in X/Y-bedrijf moet kunnen werken. Bij een skoop in normaal bedrijf wordt de horizontale afbuiging (X) door de zogenaamde tijdbasis verzorgd. Spanningen die op de Y-ingang worden gezet worden zodoende als funktie van de tijd weergegeven. Bij bijna alle skoops kan de tijdbasis echter uitgeschakeld worden, waarmee de mogelijkheid ontstaat een signaal als funktie van een ander signaal weer te geven. Het punt Y op de print moet naar de Y-ingang van de skoop. Gebruik een niet verzwakkende (1:1) probe (= meetsonde) en sluit de afscherming van de probe via een kort aardsnoertje aan op het massapunt van de print. De Y-schaal zal op de skoop in millivolts gekalibreerd zijn, maar bij deze schakeling moet de schaal in milliampères afgelezen worden. De meetweerstand is immers 1 Ω dus elke gemeten mV komt overeen met een mA kollektorstroom. Staat de knop in de stand 10 mV/div., dan zal in de meeste gevallen een fraai plaatje verschijnen.
De X-ingang van de skoop (bij tweekanaals-skoops is dit vaak de tweede Y-ingang, eenkanaals skoops hebben hier vaak een aparte ingangsbus voor waar hor. of X-ext. bij staat) wordt aangesloten op het punt X van de print. In figuur 8 staat een voorbeeld van hoe de skoop ingesteld moet worden om een leuk plaatje te krijgen.
Figuur 8. Zo moet een oscilloskoop (in dit geval een Hameg) ingesteld worden: 1) Knop X-Y ingedrukt voor XY-bedrijf. De tijdbasis 2) is nu buiten werking en ook de trigger-circuits 3) hebben geen invloed meer. De kollektorstroom wordt via een 1:1-probe via de Y-ingang 4) gemeten. De ingangsverzwakker 5) staat op 10 mV/div. hetgeen een schaalverdeling op de Y-as van 10 mA/div. geeft. De tweede Y-ingang dient bij deze skoop als X-ingang 6) en krijgt dus de zaagtand-spanning aangeboden. De gevoeligheid van de X-ingang staat op 1 V/div. 7). Met deze positioneringsknopjes 8) kan de oorsprong van de karakteristiek links onder in de hoek gelegd worden zodat het hele skoop-scherm benut wordt.
De resultaten
Figuur 9 laat vier skoopfotos zien van veelgebruikte transistoren. De eerste is die van een BC547A. Een hele "brave" karakteristiek waaruit een bescheiden stroomversterking afgeleid kan worden. 9b toont een BC 547B, de stroomversterking is duidelijk hoger dan die van het A-type. Gaan we verder naar 9c (van een BC550B), dan zien we dat de stroomversterking nagenoeg gelijk is, maar dat de lijnen wel duidelijk horizontaler lopen. Een BC550 zal zich dus als meer ideale (betere) transistor gedragen. Hierdoor zal minder vervorming in versterkerschakelingen ontstaan. Een BC550 is dan ook bij uitstek een tor voor in low noise hifi-schakelingen. Figuur 9d tenslotte toont het gedrag van een BC550C. Die C in het typenummer wil zeggen dat het om een transistor met een hoge versterkingsfaktor gaat. Dat blijkt wel, want de lijnen lopen van het beeldscherm af. Het kan zelfs zo zijn dat bij het testen van transistoren met een dergelijk hoge versterkingsfaktor de maximaal toegestane kollektorstroom wordt overschreden. In dat geval kan in serie met D4 een schakelaartje opgenomen worden. Bij een geopende schakelaar zal de basisstroominstelling slechts lopen van 0 tot maximaal 75 µA en worden er ook maar vier lijnen op het oscilloskoopscherm getekend.
Figuur 9. Enkele met deze schakeling opgenomen karakteristieken (skoopinstellingen volgens figuur 8).