- Einfacher Kurven-Tracer
- Erforderliche Komponenten
- Schaltplan
- Arbeitserklärung
- So verbessern Sie die Ergebnisse der Kurvenverfolgung
- Verwendung des Curve Tracer Circuit
- Kurvenverfolgung für Diode
- Kurvenverfolgung für Widerstand
- Kurvenverfolgung für Transistor
Der größte Teil der Elektronik befasst sich mit Verfolgungskurven, sei es die charakteristische Übertragungskurve für eine Rückkopplungsschleife, die gerade VI-Linie eines Widerstands oder die Kollektor-Spannungs-Strom-Kurve eines Transistors.
Diese Kurven geben uns ein intuitives Verständnis dafür, wie sich ein Gerät in einer Schaltung verhält. Ein analytischer Ansatz könnte darin bestehen, diskrete Spannungs- und Stromwerte in eine mathematische Formel einzufügen und die Ergebnisse grafisch darzustellen, wobei üblicherweise die x-Achse die Spannung und die y-Achse den Strom darstellt.
Dieser Ansatz funktioniert, ist aber manchmal langwierig. Und wie jeder Elektronik-Bastler weiß, kann das Verhalten von Komponenten im wirklichen Leben (oft stark) von der Formel abweichen, die ihre Funktionsweise beschreibt.
Hier verwenden wir eine Schaltung (Sägezahnwellenform), um eine diskret ansteigende Spannung an die Komponente anzulegen, deren VI-Kurve wir zeichnen möchten, und verwenden dann ein Oszilloskop, um die Ergebnisse anzuzeigen.
Einfacher Kurven-Tracer
Um eine Kurve in Echtzeit zu zeichnen, müssen wir aufeinanderfolgende diskrete Spannungswerte an unser zu testendes Gerät anlegen. Wie kann das gemacht werden?
Die Lösung für unser Problem ist die Sägezahnwellenform.
Die Sägezahnwellenform steigt linear an und geht periodisch auf Null zurück. Dies ermöglicht das Anlegen einer kontinuierlich ansteigenden Spannung an das zu testende Gerät und erzeugt eine kontinuierliche Spur in einem Diagramm (in diesem Fall dem Oszilloskop).
Ein Oszilloskop im XY-Modus wird verwendet, um die Schaltung zu "lesen". Die X-Achse ist mit dem zu testenden Gerät verbunden und die Y-Achse ist mit der Sägezahnwellenform verbunden.
Die hier verwendete Schaltung ist eine einfache Variation eines Kurven-Tracers unter Verwendung gemeinsamer Teile wie des 555-Timers und des LM358-Operationsverstärkers.
Erforderliche Komponenten
1. Für den Timer
- 555 Timer - jede Variante
- 10uF Elektrolytkondensator (Entkopplung)
- 100nF Keramikkondensator (Entkopplung)
- 1K Widerstand (Stromquelle)
- 10K Widerstand (Stromquelle)
- BC557 PNP-Transistor oder gleichwertig
- 10uF Elektrolytkondensator (Timing)
2. Für den Operationsverstärker
- LM358 oder vergleichbarer Opamp
- 10uF Elektrolytkondensator (Entkopplung)
- 10nF Keramikkondensator (AC-Kopplung)
- 10M Widerstand (AC-Kopplung)
- Testwiderstand (abhängig vom zu testenden Gerät, normalerweise zwischen 50 Ohm und einigen hundert Ohm)
Schaltplan
Arbeitserklärung
1. Der 555 Timer
Die hier verwendete Schaltung ist eine einfache Variante der klassischen astabilen Schaltung 555, die als Sägezahn-Wellenformgenerator fungiert.
Normalerweise wird der Zeitsteuerungswiderstand durch einen Widerstand gespeist, der an die Stromversorgung angeschlossen ist, aber hier ist er an eine (rohe) Konstantstromquelle angeschlossen.
Die Konstantstromversorgung liefert eine feste Basis-Emitter-Vorspannung, was zu einem (etwas) konstanten Kollektorstrom führt. Das Laden eines Kondensators unter Verwendung eines konstanten Stroms führt zu einer linearen Rampenwellenform.
Diese Konfiguration leitet den Ausgang direkt vom Kondensatorausgang (der gesuchten Sägezahnrampe) ab und nicht von Pin 3, der hier enge negative Impulse liefert.
Diese Schaltung ist insofern clever, als sie den internen Mechanismus des 555 verwendet, um einen Konstantstromquellen-Kondensator-Rampengenerator zu steuern.
2. Der Verstärker
Da der Ausgang direkt vom Kondensator abgeleitet wird (der von der Stromquelle geladen wird), ist der Strom, der zur Stromversorgung des zu testenden Geräts (DUT) zur Verfügung steht, im Wesentlichen Null.
Um dies zu beheben, verwenden wir den klassischen LM358-Operationsverstärker als Spannungs- (und damit Strom-) Puffer. Dies erhöht den dem Prüfling zur Verfügung stehenden Strom etwas.
Die Kondensator-Sägezahn-Wellenform schwingt zwischen 1/3 und 2/3 Vcc (555-Aktion), was in einem Kurven-Tracer unbrauchbar ist, da die Spannung nicht von Null an steigt und eine "unvollständige" Spur ergibt. Um dies zu beheben, wird der Eingang vom 555 mit dem Puffereingang wechselstromgekoppelt.
Der 10M-Widerstand ist ein bisschen schwarze Magie - beim Testen wurde festgestellt, dass der Ausgang einfach auf Vcc schwebte und dort blieb, wenn der Widerstand nicht hinzugefügt wurde! Dies liegt an der parasitären Eingangskapazität - zusammen mit der hohen Eingangsimpedanz bildet sie einen Integrator! Der 10M-Widerstand reicht aus, um diese parasitäre Kapazität zu entladen, reicht jedoch nicht aus, um den Konstantstromkreis signifikant zu belasten.
So verbessern Sie die Ergebnisse der Kurvenverfolgung
Da diese Schaltung hohe Frequenzen und hohe Impedanzen aufweist, ist eine sorgfältige Konstruktion erforderlich, um unerwünschte Störungen und Schwingungen zu vermeiden.
Eine ausreichende Entkopplung wird empfohlen. Vermeiden Sie nach Möglichkeit das Breadboarding dieser Schaltung und verwenden Sie stattdessen eine Leiterplatte oder ein Perfboard.
Diese Schaltung ist sehr grob und daher temperamentvoll. Es wird empfohlen, diesen Stromkreis über eine variable Spannungsquelle mit Strom zu versorgen. Sogar ein LM317 funktioniert zur Not. Diese Schaltung ist bei etwa 7,5 V am stabilsten.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Einstellung der horizontalen Skalierung des Oszilloskops. Wenn sie zu hoch ist, wird die Spur durch das gesamte niederfrequente Rauschen unscharf, und wenn sie zu niedrig ist, sind nicht genügend Daten vorhanden, um eine vollständige Spur zu erhalten. Dies hängt wiederum von der Einstellung der Stromversorgung ab.
Um eine brauchbare Spur zu erhalten, müssen die Zeitbasiseinstellung des Oszilloskops und die Eingangsspannung sorgfältig eingestellt werden.
Wenn Sie nützliche Messungen wünschen, sind ein Testwiderstand und die Kenntnis der Ausgangseigenschaften des Operationsverstärkers erforderlich. Mit ein wenig Mathematik können gute Werte erhalten werden.
Verwendung des Curve Tracer Circuit
Es sind zwei einfache Dinge zu beachten: Die X-Achse repräsentiert die Spannung und die Y-Achse repräsentiert den Strom.
Bei einem Oszilloskop ist das Abtasten der X-Achse recht einfach - die Spannung ist "wie sie ist", dh sie entspricht den am Oszilloskop eingestellten Volt pro Teilung.
Die Y- oder aktuelle Achse ist etwas schwieriger. Wir messen hier nicht direkt den Strom, sondern die Spannung, die aufgrund des Stroms durch die Schaltung über den Testwiderstand abfällt.
Es reicht aus, wenn wir den Spitzenspannungswert auf der Y-Achse messen. In diesem Fall sind es 2 V, wie in der vorherigen Abbildung gezeigt.
Der Spitzenstrom durch die Testschaltung ist also
I Sweep = V Peak / R Test.
Dies stellt den 'Sweep'-Strombereich von 0 - I Sweep dar.
Abhängig von der Einstellung kann sich das Diagramm in so viele Bereiche auf dem Bildschirm erstrecken, wie verfügbar sind. Der Strom pro Teilung ist also einfach der Spitzenstrom geteilt durch die Anzahl der Teilungen, bis zu denen sich der Graph erstreckt, mit anderen Worten die Linie parallel zur X-Achse, an der sich die obere "Spitze" des Graphen berührt.
Kurvenverfolgung für Diode
Alle oben beschriebenen Geräusche und Unschärfen sind hier zu sehen.
Die Diodenkurve ist jedoch deutlich zu erkennen, wobei der Kniepunkt bei 0,7 V liegt (beachten Sie die 500 mV pro Division X-Skala).
Beachten Sie, dass die X-Achse genau den erwarteten 0,7 V entspricht, was den Ist-Zustand der X-Achsenablesung rechtfertigt.
Der hier verwendete Testwiderstand betrug 1 K, daher lag der Strombereich zwischen 0 mA und 2 mA. Hier überschreitet der Graph nicht zwei Unterteilungen (ungefähr), so dass eine grobe Skala 1 mA / Teilung wäre.
Kurvenverfolgung für Widerstand
Widerstände sind elektrisch die einfachsten Geräte mit einer linearen VI-Kurve, auch bekannt als Ohmsches Gesetz, R = V / I. Es ist offensichtlich, dass Widerstände mit niedrigem Wert steile Steigungen aufweisen (höheres I für gegebenes V) und Widerstände mit hohem Wert sanftere Steigungen haben (weniger I für gegebenes V).
Der Testwiderstand betrug hier 100 Ohm, der Strombereich betrug also 0mA - 20mA. Da sich der Graph auf 2,5 Teilungen erstreckt, beträgt der Strom pro Teilung 8 mA.
Der Strom steigt für ein Volt um 16 mA, sodass der Widerstand 1 V / 16 mA = 62 Ohm beträgt, was angemessen ist, da ein 100-Ohm-Poti der Prüfling war.
Kurvenverfolgung für Transistor
Da es sich bei dem Transistor um ein Gerät mit drei Anschlüssen handelt, ist die Anzahl der Messungen, die durchgeführt werden können, recht groß. Nur wenige dieser Messungen werden jedoch häufig verwendet. Eine davon ist die Abhängigkeit der Kollektorspannung vom Basisstrom (beide bezogen auf Masse) natürlich) bei konstantem Kollektorstrom.
Mit unserem Curve Tracer sollte dies eine leichte Aufgabe sein. Die Basis ist mit einer konstanten Vorspannung und die X-Achse mit dem Kollektor verbunden. Der Testwiderstand liefert den "konstanten" Strom.
Die resultierende Spur sollte ungefähr so aussehen:
I B Vs V CE
Beachten Sie, dass das oben gezeigte Diagramm eine Protokollskala ist. Denken Sie daran, dass das Oszilloskop standardmäßig linear ist.
So Curve Tracer sind Geräte, die VI Spuren für einfache Komponenten und helfen Verstärkung ein intuitives Verständnis der Bauteileigenschaften erzeugen.