Colani's PI, Arduino & Home Domotica

De curvetracer

Met een curvetracer kunt u de stroom in functie van spanning karakteristieken van halfgeleiders zichtbaar maken. Voor diodes geldt dat voor de diodestroom in functie van de spanning over de diode. Voor bipolaire transistoren geeft een curvetracer de collectorstroom in functie van de spanning tussen de collector en de emitter. Omdat deze karakteristiek afhankelijk is van de basisstroom, wordt een bundel grafieken geschreven, waarbij iedere grafiek voor een bepaalde basisstroom geldt. Deze karakteristiekenbundel noemt men de Ic = f(Uce) karakteristiek. Voor JFET’s en MOSFET’s wordt de drainstroom in functie van de drain/source-spanning geschreven. Uiteraard wordt deze karakteristiek dan de Id = f(Uds) karakteristiek genoemd. Ook nu wordt een bundel geschreven, waarbij iedere grafiek overeen komt met een bepaalde spanning tussen de gate en de source.

De JasonKits curvetracer

Deze curvetracer wordt geleverd als een kant-en-klaar printje met als afmetingen 10,0 cm bij 10,0 cm, zie de onderstaande foto. Op deze print zit een opsteekprintje met daarop een standaard LCD-display ‘2.8 TFT SPI 240×320‘. De print bevat geen bedieningsorganen, de nogal rudimentaire bediening van het apparaatje gebeurt via het aanraakscherm.

Met deze JasonKits curvetracer kunt u de karakteristieken opmeten van:

Daarnaast zet de software ook nog de versterkingsfactor β van bipolaire transistoren, de turn-on threshold spanning van MOSFET’s of de cut-off threshold spanning van JFET’s op het scherm.

Er is geen voorziening aanwezig om de te testen onderdelen op het printje aan te sluiten, daar moet u zélf iets op verzinnen. Wél is er plaats voor een DIL-14 IC-voetje. Als u daar een 14-pens ZIF-socket in monteert, zo’n voetje met een hendeltje, kunt u in ieder geval halfgeleiders met dunne aansluitdraadjes in de print duwen om te testen.

Het uiterlijk van de JasonKits curvetracer.

Fabrikant, leverancier en prijs

Dat is een ingewikkeld verhaal. Deze schakeling is blijkbaar ooit ontworpen en gebouwd op gaatjesprint door ene Peter Balch, die de tekeningen en foto’s van zijn prototype op www.instructables.com heeft gepubliceerd. Een bedrijfje gevestigd op Malta, JasonKits, heeft dit ontwerp al dan niet legaal overgenomen en er een PCB-versie van ontworpen. JasonKits heeft nog meer van dit soort door particulieren ontworpen schakelingen in de verkoop. Maar dit bedrijf heeft de verkoop weer uitbesteed aan Tindie. Tindie is een online marktplaats voor elektronica-projecten en -producten. Het platform verbindt ontwerpers en startups direct met kopers wereldwijd. Sinds 2019 is Tindie eigendom van Hackaday. U moet het apparaat dus dáár bestellen, via:

https://www.tindie.com/products/jasonkits/transistor-curve-tracer-v20/

maar het wordt wél geleverd door JasonKits vanuit Malta.

De prijs van de curvetracer bedraagt € 37,63, maar Malta Post vraagt € 11,71 voor de verzending naar Nederland. Malta ligt niet zover weg, maar toch deed ons pakket er veel langer over dan de meeste pakketten die uit China komen. Wij bestelden deze curvetracer op 7 januari, het pakket werd op 28 januari door postnl afgeleverd.

Het aan ons geleverde exemplaar draagt het versienummer V2.0.

De print van versienummer V2.0

In de onderstaande afbeelding hebben wij de componentenopstelling van de JasonKits curvetracer V2.0 weergegeven, zodat u de diverse componenten gemakkelijk terug kunt vinden aan de hand van het schema, dat wij verder in dit artikel publiceren.

De componentenopstelling op de print.

De handleiding

De meegeleverde handleiding bestaat uit drie velletjes A4-papier, waarop in het kort het werken met dit apparaat in het Engels wordt beschreven. Ook het volledige schema wordt gepubliceerd, wat wel een unicum kan worden genoemd! Ook interessant is dat blijkbaar de mogelijkheid bestaat de print te laten communiceren met uw PC via een seriële link. Hoe dat werkt wordt uitgelegd op de twee laatste pagina’s van deze handleiding.

De voeding voor de schakeling

Peter Balch heeft zijn prototype ontworpen met batterijvoeding door vier cellen van 1,5 V. JasonKits heeft het over een voedingsspanning van minimaal 9 Vdc en maximaal 12 Vdc, aan te sluiten via een standaard voedingsconnector, rechtsonder op de print.

De componenten op de print

In de onderstaande foto ziet u de basisprint van de curvetracer, met verwijderde display-print. Op deze print ontdekken wij de volgende IC’s:

• 1 x LM358:
  Een veelgebruikte dubbele operationele versterker, ontworpen voor single-supply toepassingen.
• 1 x MCP4802E:
  Een dubbele acht bit brede digitaal-naar-analoog omzetter (DAC) van Microchip, met SPI-interface en ingebouwde referentiespanning.
• 1 x 17L33:
  Is een veelgebruikte SMD-markering op kleine low-dropout regelaars die een vaste uitgangsspanning van +3,3 V leveren.
• 1 x L7805:
  Is een lineaire spanningsregelaar die een vaste uitgangsspanning van +5,0 V levert.
• 1 x ATMEGA328P:
  Is een populaire acht bit microcontroller van Atmel (nu Microchip), gebaseerd op de AVR-architectuur, uiteraard bekend van de Arduino Uno.

Naast deze IC’s zijn nog drie laagvermogen transistoren aanwezig. Aan de onderzijde van de print ziet u nog een heel klein opsteekprintje, dat in het oorspronkelijk ontwerp bedoeld was om de 6 V batterijspanning om te zetten in 12 Vdc.

De basisprint van de curvetracer.

Het principe van de schakeling

De principiële werking wijkt niet af van deze van andere curvetracers en is, voor bipolaire transistoren, geschetst in de onderstaande figuur. Via de weerstand van 27 kΩ wordt er, gedurende één periode van de meetcyclus, een constante stoom in de basis gestuurd. In die periode wordt er aan de collector een zaagtandvormige spanning aangeboden. In serie met de collector staat een weerstandje van 100 Ω. Beide aansluitingen van die weerstand gaan naar de ADC’s in de Arduino. De software kan uit de gegevens van die twee ADC’s het verloop van de collectorstroom Ic en van de collector/emitter-spanning Uce berekenen en in een grafiek verwerken. Nadien start de volgende periode van de meetcyclus met een iets verhoogde basisstroom. 

Opmerkenswaardig is dat ook PNP halfgeleiders worden gevoed met de aanwezige positieve spanning van 12 Vdc. Hoe dat gaat ziet u rechts in de figuur. De emitter is rechtstreeks verbonden met deze positieve spanning en de collector wordt gevoed met een zaagtand die verloopt van +12 V naar 0 V. Hetzelfde geldt voor de basis, die wordt gevoed uit een trapspanning die daalt van +12 V naar 0 V. 

Bij het testen van FET’s worden, via de basisweerstanden, de gates gevoed met trapspanningen van 0 V tot maximaal 12 V.

De principiële werking.

Het blokschema van het apparaat

In de onderstaande figuur geven wij het blokschema, de twee ingetekende transistoren zijn de ‘DUT’s’, ofwel de componenten die getest moeten worden. De twee DAC’s uit de MCP4802E worden uit de Arduino gestuurd en leveren aan hun uitgangen de zaagtand- en trapspanningen voor het sturen van de basis en de collector of de gate en de drain. De uitgangsspanningen van de DAC’s (4 V) worden via de twee op-amp’s en drie transistors opgevoerd tot 12 V. De spanningen over de collector- of drainweerstanden worden door resistieve spanningsdelers 12 V naar 5 V binnen het bereik van de ADC’s in de Arduino gebracht. Het LCD-display wordt, via spanningsdelers 5 V naar 3,3 V, aangestuurd uit de uitgangen van de Arduino.

Het blokschema van de curvetracer.

Het volledig schema van de curvetracer

Het volledig schema van de curvetracer is voorgesteld in de onderstaande figuur. De verticale rode lijn geeft de grens weer tussen het 12 V deel van de schakeling (links) en het 5 V deel. De LM358 is geen rail-ro-rail op-amp. De uitgang kan dus niet tot tegen de voeding worden uitgestuurd. Om dit spanningsverlies te compenseren worden de uitgangen van de twee op-amp’s afgesloten met twee transistoren Q1 en Q2 die de maximale uitgangsspanningen opvoeren tot 12 V.

In de software is een routine aanwezig, die er voor zorgt dat de collector- of drainstroom nooit groter kan worden dan 50 mA. Als dit dreigt te gebeuren dan zorgt deze routine ervoor dat de collector/emitter- of drain/source-spanning daalt. 

Een andere routine detecteert, aan de hand van het vloeien van stroom door de weerstanden, dat u een halfgeleider op de curvetracer hebt aangesloten en start dan één meetcyclus.

De versterkingsfactor β van een bipolaire transistor wordt door de software berekend bij een Uce van 2 V. Op dat moment wordt de gemeten collectorstroom gedeeld door de aangeboden basisstroom. Voor MOSFET’s berekent de software de inschakeldrempel. Bij een Uds-spanning van 6 V wordt de Ugs geleidelijk verhoogd tot de drainstroom gelijk is aan 5 mA. Bij JFET’s wordt de uitschakeldrempel berekend. Ook nu wordt gemeten bij een Uds-spanning van 6 V. De Ugs wordt dan geleidelijk kleiner gemaakt tot de drainstroom kleiner wordt dan 1 mA.

Het volledig schema van de curvetracer.

De testspanningen

In het onderstaand oscillogram ziet u hoe de signalen die aan de collector en de basis worden aangeboden, bij het testen van een NPN-transistor, er uitzien. Voor het weergeven van het basissignaal hebben wij een weerstand van 12 kΩ tussen het soldeerpad op de print en de basis van de transistor opgenomen en het signaal dat uit het printje komt gemeten. U ziet duidelijk hoe, naarmate de basisstroom stijgt, de collectorspanning daalt. Dat wordt waarschijnlijk veroorzaakt door de routine die de collectorstroom op 50 mA begrenst.

Zoals reeds geschreven wordt slechts één meetcyclus uitgevoerd nadat u een halfgeleider op de tracer hebt aangesloten. De meetcyclus duurt ongeveer vijf seconden. U ziet de diverse curves een na een op het display verschijnen.

De signalen op de collector en de basis.

De JasonKits curvetracer in de praktijk

Aansluiten van de componenten

In de onderstaande figuur hebben wij het deel van de print waar u de te testen halfgeleiders op de schakeling moet aansluiten vergroot weergegeven. Links naast de plaats voor een DIL-14 IC-voetje zitten 2 x 3 kleine padjes die u ook kunt gebruiken voor het aansluiten van de te testen halfgeleiders. De bovenste rij is voor NPN en N-channel, de onderste voor PNP en P-channel. Als u dus het printje in een behuizing inbouwt moet u óf zes stekkerbussen op het frontplaatje monteren óf werken met een 2 x 3 standen omschakelaar.

Deel van de print waar u de te testen onderdelen kunt aansluiten.

De voedingsspanning

Omdat Peter Balch het prototype heeft ontworpen voor voeding uit 4 x 1,5 batterijen hoopten wij dat de JasonKits versie ook op die manier kan worden gevoed. Dat is niet zo, de minimale voedingsspanning waarbij de schakeling goed werkt bedraagt ongeveer 7,5 V.

Het opstarten van het apparaat

Na het aansluiten van de voedingsspanning, zonder aangesloten component, verschijnt het onderstaande menu op het display. U moet hier kiezen tussen het testen van bipolaire transistors, MOSFET’s en JFET’s. De curvetracer wordt geleverd met een aanraakscherm, dus u moet een van de drie vierkantjes aanklikken. Deze selectie wordt niet in een geheugen opgeslagen, de tester start altijd opnieuw op met de ‘PNP-NPN‘-keuze geselecteerd.

Het openingsmenu van de curvetracer.

Kiezen van minimale en maximale basis/gate-sturing

Door op ‘SETUP‘ te klikken verschijnt een van de twee onderstaande sub-menu’s op het scherm:

• Voor bipolaire transistors kunt u de minimale en maximale basisstroom instellen, in stappen van 50 μA, tussen 0 μA en 350 μA.
• Voor MOSFET’s en JFET’s kunt u de minimale en maximale gatespanning, in stappen van 1 V, instellen tussen 0 V en 12 V.

Ook deze selecties blijven niet bewaard, dus als u het apparaatje uit- en weer inschakelt, moet u opnieuw uw keuze invoeren. Heel vervelend!

Kiezen van minimale en maximale basis/gate-sturing.

Aansluiten van de halfgeleider

Nadien sluit u, met ingeschakelde voeding, de te testen halfgeleider aan. De software detecteert het vloeien van collector- of drainstroom en start één meetcyclus op. De resultaten worden op het display geschreven en blijven daar staan tot u de halfgeleider verwijdert. Op dat moment verschijnt weer het start-menu in beeld en kunt u opnieuw beginnen met bijvoorbeeld een andere maximale waarde van de basisstroom.

Het opnemen van de mooiste grafieken

U begint inderdaad het best met het instellen van een lage maximale basisstroom. Als dan blijkt dat de grafieken te dicht bij elkaar liggen en slechts een deel van het display vullen stelt u die waarde een stapje hoger in en sluit de halfgeleider weer aan. Op die manier krijgt u al na twee of drie pogingen een mooie grafiekenbundel, die het volledige scherm vult.

Een blauwe LED

Dit onderdeel blijkt een geleidingsspanning te hebben van ongeveer 3,0 V.

Stroom/spanning-karakteristiek van een blauwe LED.

Een bipolaire NPN transistor van het type BC107

In het onderstaand oscillogram ziet u de volledige karakteristiekenbundel voor alle basisstromen tussen 0 μA en 150 μA. Helaas wordt het plaatje ontsierd door het symbooltje van de NPN-transistor, die midden in de bundel wordt getekend. Veel logischer was het geweest als de software-ontwikkelaar dit (overigens overbodige) symbooltje in de rechter bovenhoek van het display had geplaatst, ver weg van de bundel.

Van een dergelijk schoonheidsfoutje begrijpen wij werkelijk helemaal niets! Zo’n storend element op het display moet de ontwikkelaar toch al bij de allereerste test opvallen? En zo moeilijk moet het toch niet zijn om dit symbooltje naar rechts te verplaatsen?

U ziet dat de software ook de versterkingsfactor β berekent en op het display zet. Dezelfde transistor geeft op onze statische halfgeleidertester TT100 van Voltcraft een waarde van 280, een niet al te groot verschil dus.

Ic = f(Uce)-karakteristiek van een BC107.

Een bipolaire NPN transistor van het type 2N3055

Op het onderstaand oscillogram hebben wij de Ic = f(Uce) van een 2N3055 vermogenstransistor opgenomen, met basisstromen tot 200 μA. Vreemd genoeg beweert de curvetracer dat deze halfgeleider een β heeft van 161, volgens de spec’s ligt β voor deze transistor echter tussen 20 en 70. Meten met onze statische tester TT100 levert een waarde van 91 op, ook nog heel veel.

Ic = f(Uce)-karakteristiek van een 2N3055.

Een bipolaire PNP transistor van het type BC177

De Ic = f(Uce)-karakteristiek staat in het onderstaand oscillogram. Vreemd genoeg wordt deze karakteristiek in het eerste kwadrant van het assenkruis getekend, wel met negatieve waarden van Ib, Ic en Uce. Wiskundig klopt hier uiteraard niets van en moet deze karakteristiek in het derde kwadrant worden getekend, zoals alle andere ons bekende curvetracers wel doen!

De gemeten β-waarde is met 267 heel wat lager dan wat onze TT100 er van vindt: 304.

Ic = f(Uce)-karakteristiek van een BC177.

Een P-kanaal MOSFET van het type IRF9530

Tot slot een HEXFET van het type IRF9530 van International Rectifier. Ook nu worden de karakteristieken in het eerste kwadrant met negatieve waarden getekend. Dit is een halfgeleider die tot 20 A en 60 V kan verwerken, wij zijn dus heel benieuwd hoe dit apparaatje met zijn 50 mA en 12 V de karakteristiek weergeeft. Dat ziet u in het onderstaand oscillogram, er wordt maar een heel klein deel van de uit het datasheet bekende Id = f(Uds)-grafiek op het display geschreven.

Ook de berekende Uth, de gate cut-off threshold-spanning, is vreemd. Er wordt een waarde van 0,0 V op het scherm gezet, terwijl volgens de spec’s die spanning tussen -2.0 V en -4,0 V ligt. Dat vindt ook onze TT100, die berekent een waarde van -2,98 V.

Id = f(Uds)-karakteristiek van een IRF9530.

De conclusie over de JasonKits curvetracer

Net zoals bij de test van de curvetracer BGDR van YiCheng Electronics vragen wij ons ook bij dit apparaatje af: ‘bruikbaar meetapparaat of speelgoed?‘. En ook nu laten wij het antwoord op deze vraag aan de lezer van dit artikel over.

Ondersteun mijn website’s, kanaal en inhoud en mijn voortdurende inspanningen via Patreon:
https://patreon.com/Colani

Suc6
Terry van Erp