Приставка к вольтметру для измерения параметров полевых транзисторов

Понедельник , 4, Июль 2011 Комментарии к записи Приставка к вольтметру для измерения параметров полевых транзисторов отключены

Определять параметры полевых транзисторов с p-n-переходом на затворе, как n-канальных, так и p-канальных, поможет описанная ниже простая и недорогая приставка к вольтметру, которая позволяет измерять начальный ток стока полевого транзистора и его напряжение отсечки. Таким образом, используя лишь эту приставку в комплекте с каким-нибудь вольтметром, можно, например, отобрать транзисторы с наилучшими характеристиками или подобрать пару одинаковых по параметрам транзисторов. Кроме того, приставка позволяет проверить полевой транзистор на работоспособность, приблизительно определить крутизну полевого транзистора в предполагаемой рабочей точке, а студентам и начинающим радиолюбителям — исследовать полевой транзистор чтобы лучше понять его принцип работы.

Схема приставки-измерителя параметров полевых транзисторов приведена на рис.1. Главная её особенность — стабилизированное напряжение сток-исток при измерении начального тока стока полевого транзистора.

Схема измерителя параметров полевых транзисторов.

Рис.1. Электрическая схема приставки-измерителя параметров полевых транзисторов.

Такой параметр полевого транзистора с p-n-переходом на затворе как начальный ток стока (IС НАЧ), по определению, должен измеряться при нулевом значении напряжения затвор-исток (UЗИ=0V) и фиксированном напряжении сток-исток (UСИ=const). На практике же для измерения начального тока стока полевого транзистора в цепь его стока или истока включают миллиамперметр. Такой способ измерения не соответствует собственно определению параметра полевого транзистора IС НАЧ поскольку собственное омическое сопротивление реального миллиамперметра отлично от нуля. При включении такого миллиамперметра в цепь истока как показано на рис.2а, из-за протекающего через миллиамперметр тока, на его зажимах возникает разность потенциалов, подводимая как раз между истоком и затвором полевого транзистора, и значение UЗИ поэтому уже не будет нулевым. Например, значение собственного омического сопротивления авометра типа Ц4315 на пределе измерения «5 мА» равно 40 Ом, а на пределе «25 мА» — соответственно в пять раз меньше, то есть 8 Ом. Чтобы с достаточной точностью измерить небольшой по величине начальный тока стока, как, например, у полевых транзисторов КП303В и КП303И, авометр надо использовать на пределе измерения «5 мА». Но в этом случае ток стока всего 3 мА приведёт к возникновению между истоком и затвором напряжения величиной (3 мА x 40 Ом) = 0,12В, что для полевого транзистора является уже довольно значительным напряжением смещения. Или, например, начальный ток стока импортного полевого транзистора J310 часто превышает 20 мА, и измерять его надо уже на пределе «25 мА». Но (20 мА x 8 Ом) = 0,16В — это тоже немало. Какой-нибудь импортный цифровой мультиметр, например, типа DT9205A, ничем не лучше в этом смысле отечественного Ц4315, так как его собственное омическое сопротивление на пределе измерения постоянного тока «20 мА» равно 10 Ом.

Схема измерителя параметров полевых транзисторов.

Рис.2. Варианты схем измерения начального тока стока полевого транзистора.

Несколько меньше нареканий вызывает схема измерения, приведенная на рис.2б, где миллиамперметр включен в цепь стока полевого транзистора. Здесь падение напряжения на миллиамперметре приводит лишь к изменению напряжения сток-исток. Но это, в свою очередь, также вызывает некоторое изменение тока стока, поскольку, как показано в [1], выходная характеристика полевых транзисторов далека от идеальной, особенно при напряжении сток-исток ниже 5 В.

В схеме приставки-измерителя параметров полевых транзисторов, приведенной на рис.1, на сток подключаемого полевого транзистора подаётся стабилизированное напряжение питания («+5 В» для n-канального транзистора и «-5 В» для p-канального — устанавливается переключателем SA1), а его исток подсоединён к так называемому «виртуальному нулю» преобразователя входного тока в выходное напряжение, выполненного на операционном усилителе D3:1. На рис.3 приведена упрощённая схема измерения начального тока стока полевого транзистора, поясняющая принцип стабилизации напряжения сток-исток.

Схема измерения начального тока стока полевого транзистора со стабилизацией напряжения сток-исток.

Рис.3. Стабилизация напряжения сток-исток.

Охваченный отрицательной обратной связью операционный усилитель стремится установить на своём выходе такое напряжение, чтобы по возможности поддерживать на своём инвертирующем входе напряжение, практически равное напряжению на входе неинвертирующем. А поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к общему проводу схемы, то напряжение на его инвертирующем входе также будет очень близко к нулю, во всяком случае пока операционный усилитель работает в пределах своей линейной области. Эту точку схемы с застабилизированным нулевым потенциалом, но не связанную с общим проводом гальванически, ещё называют «виртуальным нулём».

На приведенной на рис.3 схеме показано, что напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя будет равно нулю когда ток, протекающий через резистор R8, равен току стока подключенного к «виртуальному нулю» полевого транзистора (ничтожно малым входным током операционного усилителя пренебрегаем). Напряжение на выходе схемы будет при этом пропорционально величине этого тока, причём коэффициент пропорциональности задаётся сопротивлением резистора R8, а напряжение между истоком и стоком полевого транзистора остаётся постоянным и равным поданному на вывод стока напряжению питания (в данном случае +5В). Более подробно работа управляемого током источника напряжения на операционном усилителе рассмотрена в [2].

Чтобы измерять напряжение отсечки полевых транзисторов, приблизительно определять крутизну их передаточной характеристики или просто исследовать их работу в познавательных целях необходимо иметь возможность регулировать напряжение на затворе полевого транзистора. Эту роль выполняет функциональный узел на операционном усилителе D3:2, работу которого поясняет схема на рис.4.

Схема регулирования напряжения на затворе полевого транзистора.

Рис.4. Регулятор напряжения на затворе.

В этой схеме через резистор R7 протекает стабильный постоянный ток, величина которого определяется суммой сопротивлений резисторов R2 и R5. Поскольку охваченный отрицательной обратной связью через переменный резистор R7 операционный усилитель D3:2 поддерживает на своём выходе такое напряжение, что потенциал «виртуального нуля» равен потенциалу общего провода, то величина выходного напряжения будет прямо пропорциональна сопротивлению этого переменного резистора.

Значение напряжения отсечки у полевых транзисторов различного типа варьируется в довольно широких пределах. Поэтому в приведенной на рис.1 схеме предусмотрено переключение диапазона регулирования напряжения на затворе переключателем SA3: в его верхнем по схеме положении максимальное значение напряжения устанавливается подстроечным резистором R2, а в нижнем — подстроечным резистором R3.

Благодаря применению описанных выше способов стабилизации напряжения UСИ и формирования подаваемого на затвор полевого транзистора управляющего напряжения UЗИ упростилось переключение между n-канальным и p-канальным типами транзистора. Эту функцию выполняет одиночный переключатель SA1. Когда он установлен в положение «n-канал», то на сток полевого транзистора и на вход выполненного на операционном усилителе D3:2 регулятора напряжения подаётся стабилизированное положительное напряжение питания +5В. При этом на затвор подключаемого полевого транзистора с выхода регулятора будет поступать отрицательное управляющее напряжение. Когда же переключатель SA1 установлен в положение «p-канал», то на сток полевого транзистора и на вход регулятора напряжения подаётся стабилизированное отрицательное напряжение питания -5В, и на затвор полевого транзистора с выхода регулятора будет поступать положительное управляющее напряжение.

Назначение остальных переключателей, показанных на схеме, следующее. SA2 выполняет функцию выключателя схемы измерения на время замены очередного полевого следующим. Когда SA2 включен, то горит зелёный светодиод VD4 для n-канального полевого транзистора или жёлтый VD5 для p-канального. Переключатель SA4 отключает затвор полевого транзистора от выполненного на операционном усилителе D3:2 регулятора напряжения при измерении начального тока стока. И наконец, переключателем SA5 можно выбрать величину, измеряемую подключенным к контактам XT4 и XT5 вольтметром: либо ток стока полевого транзистора (нижнее по схеме положение), либо напряжение на его затворе (верхнее по схеме положение).

RC-цепи компенсации емкостной нагрузки R9:C8 и R10:C7 предотвращают возможное самовозбуждение операционных усилителей, спровоцированное подсоединением к их выходу длинных проводов, которыми приставка-измеритель полевых транзисторов подсоединяется к вольтметру.

На рис.5 приведена схема цепей питания приставки-измерителя параметров полевых транзисторов. Для питания приставки используется вторичная обмотка сетевого трансформатора со средней точкой. К выводам мостового выпрямителя VD3 подключаются крайние выводы обмотки, а её средняя точка подключается к общему проводу схемы. Действующее переменное напряжение на выводах вторичной обмотки, измеренное относительно средней точки, должно быть в пределах 7..11 В, так как напряжение питания операционного усилителя D3 не стабилизируется.

Двуполярное питание измерителя параметров полевых транзисторов.

Рис.5. Электрическая схема цепей питания.

Измеритель параметров полевых транзисторов, включая цепи питания, собран на двухсторонней печатной плате размером 62 x 66 мм. Трассировка печатных проводников на плате приведена на рис.6, а установка элементов на ней — на рис.7. Микросхемы D1 и D2 — это выпускаемые в транзисторном корпусе TO-92 маломощные линейные стабилизаторы напряжения MC78L05ABP и MC79L05ABP соответственно (в кодировке фирмы ON Semiconductor).

Аверс печатной платы.

а)

Реверс печатной платы.

б)

Рис.6.Трассировка проводников на двухсторонней печатной плате.

Микросхема D3 — это сдвоенный операционный усилитель общего применения LM358P или LM2904P в корпусе DIP-8 (в кодировке фирмы Texas Instruments). Электролитические конденсаторы C1 и C2 могут быть и меньшей ёмкости, но на рабочее напряжение не менее 25В. Диоды VD1 и VD2 типа 1N4448 можно заменить на отечественные КД510А или КД522Б. При установке надо не ошибиться с их полярностью: у показанных на монтажной схеме диодов 1N4448 полоской отмечен вывод катода. Светодиод VD4 — зелёный L-934GD, а VD5 — жёлтый L-934YD производства фирмы Kingbright или аналогичные им по цвету и размеру. Выпрямительный диодный мост VD3 типа DF01M.

Аверс печатной платы

а)

Реверс печатной платы.

б)

Рис.7. Размещение элементов с двух сторон печатной платы.

Подстроечные резисторы R2 и R3 — импортные, например типа 3362P фирмы BOURNS или аналогичные по размеру и номинальному сопротивлению. Переменный резистор R7 также импортный.

Цоколёвка микросхем стабилизаторов питания.

Рис.8. Цоколёвка микросхем D1 и D2.

Керамические конденсаторы C3..C8 — любые подходящие по размеру. Все постоянные резисторы — выводные отечественного производства типа МЛТ, С2-23 или С2-33 номинальной мощностью 0,125 Вт или 0,25 Вт, но подойдут и любые подходящие по размеру импортные. Переключатели SA1..SA5 — любые подходящие по размеру.

Наладка собранной приставки заключается в установке подстроечными резисторами R2 и R3 диапазонов регулировки переменным резистором R7 запирающего напряжения на затворе подключаемого полевого транзистора. Порядок такой:

  1. Перевести переключатель SA3 в верхнее по схеме положение, а движок переменного резистора R7 — в крайнее правое по схеме положение (повернуть по часовой стрелке до упора);
  2. Подключить к приставке вольтметр, подать питание и перевести переключатель SA2 в положение «вкл.»;
  3. Подстроечным резистором R2 установить по вольтметру выходное напряжение 8 В;
  4. Перевести переключатель SA3 в нижнее по схеме положение;
  5. Подстроечным резистором R3 установить на выходе напряжение 2 В.

Печатную плату с установленными на ней элементами легко разместить в подходящем по размерам корпусе. Автор приобрёл для этого на киевском радиорынке готовый платсмассовый корпус, в программе Photohsop создал наклейку с подписями органов управления (см. рис.9), распечатал её на фотобумаге и закрепил на передней панели под толстой лавсановой плёнкой теми же винтами, которыми плата на резьбовых стойках прикручивается к корпусу.

Передняя панель приставки-измерителя параметров полевых транзисторов.

Рис.9. Передняя панель приставки-измерителя параметров полевых транзисторов.

Чтобы поднять предназначенные для подключения полевого транзистора цанговые контакты XS1..XS3 до уровня плоскости передней панели корпуса их можно «удлиннить» при помощи подходящего по размеру штыревого контакта от какого-нибудь разъёма как показано на приведенных на рис.9 фотографиях.

Цанговые контакты и штыревые контакты от разъёма.

а)

Удлинённые цанговые контакты для подключения полевого транзистора.

б)

Рис.10.Установка цанговых контактов для подключения полевого транзистора.

Порядок измерения параметров полевого транзистора следующий. До того как вставить полевой транзистор в цанговые контакты «З», «С» и «И» (затвор, сток и исток соответственно) к приставке-измерителю надо подключить вольтметр и подать питание, переключателем SA1 установить соответствующий полевому транзистору тип канала («n» или «p»), а переключатель SA2 установить в положение «выкл.». При измерении начального тока стока транзистора переключатель SA4 надо перевести в положение «0В», а переключатель SA5 — в положение «IС«. Затем:

  1. Вставить в цанговые контакты полевой транзистор в соответствии с его цоколёвкой;
  2. Переключатель SA2 перевести в положение «вкл.», при этом должен загореться левый зелёный светодиод если переключателем SA1 выбран транзистор с n-каналом или правый жёлтый для транзистора с p-каналом;
  3. По показаниям вольтметра произвести отсчёт измеряемого начального тока стока полевого транзистора исходя из того масштабного соотношения, что 1 В на вольтметре — это ток стока полевого транзистора 10 мА.

Для последующего измерения напряжения отсечки полевого транзистора переключателем SA3 надо выбрать соответствующий типу подключенного полевого транзистора диапазон регулировки напряжения на его затворе («2В» или «8В»), а сам регулятор вывести в крайнее левое по схеме положение движка переменного резистора R7 (против часовой стрелки до упора). Затем:

  1. Переключатель SA4 перевести в положение «рег.»;
  2. Плавно вращать переменный резистор R7 по часовой стрелке до момента, когда изменение показаний вольтметра остановится;
  3. Переключатель SA5 перевести в положение «UЗИ» — вольтметр покажет напряжение отсечки данного полевого транзистора.

Диапазон измерения начального тока стока полевого транзистора ограничен величиной максимального выходного тока операционного усилителя D3, в данном случае оно составляет что-то около 20 мА. Чтобы, например, подобрать пару одинаковых по параметрам полевых транзисторов, у которых начальный ток стока может превышать это значение (начальный ток стока такого полевого транзистора как J310 может доходить до 60 мА) измерять надо не начальный ток стока таких транзисторов, а ток стока при одном и том же запирающем напряжении на затворе, переведя, например, переключатель SA3 в положение «2В» и повернув регулятор напряжения на затворе в крайнее положение по часовой стрелке. Переключатель SA4 при этом должен быть в положении «рег.».

©Задорожный Сергей Михайлович, 2011г.

Литература:

  1. Бочаров Л.Н., «Полевые транзисторы»; Москва, издательство «Радио и связь», 1984;
  2. Титце У., Шенк К., «Полупроводниковая схемотехника»; перевод с немецкого; Москва, издательство «Мир», 1982.
  3. Задорожный С.М., «Статические параметры полевого транзистора: теория и практика»;
  4. Кристофер Траск, «Полевые транзисторы в антенном усилителе активной приёмной антенны»;