YO9GR – Alex

Cu acest montaj un osciloscop poate trasa curba de funcționare a tranzistorului bipolar (NPN și PNP).

Nu voi intra în teorie, cine dorește poate să o facă, în manuale și pe Internet găsindu-se multă informație în acest sens. La fel și pe YOUTUBE se găsesc explicații cu privire la modul de funcționare al tranzistorului.
Pe scurt !

Din grafic se observă că există trei variabile cu care lucrăm:
– curentul de bază, notat cu Ibază, care este foarte mic de ordinul microamperilor;
– curentul de colector, notat pe grafic cu Icolector, de valori de ordinul miliamperilor;
– tensiunea colector-emitor, Uce care poate avea valori de ordinul volților.
Din jonglarea cu aceste 3 variabile ne putem afla în trei zone de funcționare ale tranzistorului:
– zona (regiunea) de blocare, unde joncțiunile bază-emitor și bază colector sunt polarizate invers, pe colector regăsindu-se aproape toată tensiunea de alimentare, în care tranzistorul este blocat și nu conduce comportându-se ca un întrerupător deschis;
– zona activă de funcționare, unde joncțiunea bază-emitor este polarizată direct iar joncțiunea bază-colector este polarizată invers. În acest regim de funcționare curentul de colector este mare, fiind egal cu curentul de bază înmulțit cu factorul de amplicare al tranzistorului, iar Uce este mică, regiune în care tranzistorul se comportă ca un amplificator de semnal;
– zona de saturație, unde joncțiunile bază-emitor și bază colector sunt polarizate direct, existând o tensiune de saturație Uce foarte mică, de circa 0,2-0,3 mV, cu alte cuvinte, tranzistorul se comportă ca un întrerupător închis.
Mai trebuie precizat că un regim special de funcționare la tranzistorii bipolari este regimul de comutație, când tranzistorul se comportă exact ca un comutator închis-deschis, când trece succesiv din zona de blocare (numită și de tăiere) în zona de saturație (conducție) și invers.

Pentru a trasa un astfel de grafic putem alimenta un tranzistor și la valori diferite ale curentului de baza și ale tensiunii de alimentare și măsurând Uce, să desenem un astfel de grafic pe hârtie milimetrică. Lucrul este greoi, dar nu imposibil, dar din punctul meu de vedere are doar rol didactic.

De aceea au apărut astfel de trasatoare de grafice (Caracterografe), numite în literatura anglo-saxonă curve tracer iar procesul în sine, curve tracing. În general se găsesc destul de multe montaje, cu scheme oarecum simple, care cu ajutorul unui osciloscop, cu două intrări, se poate genera automat un astfel de grafic, format dintr-un număr oarecare de măsurători. În principiu astfel de montaje conțin un oscilator de semnale dreptunghiulare, fie cu tranzistori ca în cazul de față, fie cu integratul 555. Apoi semnalul este transformat în dinți de fierăstrău de frecvențe diferite.

Schema de față este simplă, practic conținând două părți „în oglindă” una pentru tranzistoare NPN și una pentru tranzistoare PNP, ambele având același principiu de funcționare.

Oscilatorul cu tranzistorii T1, T2 (T7,T8) livrează un semnal dreptunghiular de cca 1KHz care este transformat de grupul R5-C5 (R13-C10) într-un semnal în formă de dinți de fierăstrău. Un ciclu complet de măsurare va obține mai multe măsurători, de valori diferite datorate lui C3 (C9), care va face să scadă tensiunea în emitorul lui T4 și implicit pe baza tranzistorul care se testează. Dacă modificăm valoarea lui C4 (C11) vom putea modifica și numărul curbelor de pe ecranul osciloscopului, fiindcă numărul măsurătorilor depinde de raportul dintre C3 și C4 (C9 și C11).

Trebuie menționat că se pot folosi orice tranzistori NPN și PNP care se găsesc uzual. Personal am folosit BC547 și 2N3906 fiindcă pe aștia am pus mâna prima dată ! Dioda, poate fi orice tip de diodă redresoare sau de detectie cu germaniu. Eu am folosit o diodă schottky, tot așa, că mi-a venit mai repede în mână !

Pe un ecran de osciloscop analogic curba va apărea inversată, dar din punctul meu de vedere nu este o problemă. Pe un osciloscop digital, curba se poate inversa pe fiecare canal și atunci ar fi rezolvat acest mic neajuns. Dacă aveți un osciloscop digital trebuie să-l dați pe modul de lucru XY (exact la fel ca atunci când doriți să vizualizați curbe Lissajou). Daca veți lăsa pe modul YT veți vedea două semnale (CH1 și CH2) în formă de dinți de fierăstrău care își vor schimba valorile și care nu vă vor ajuta ! Pentru trasarea curbei pentru tranzistorii PNP trebuie să setați CH1 pe Invert OFF și CH2 pe Invert ON, iar pentru tranzistori NPN – CH1 pe Invert ON și CH2 pe Invert ON. Acum această modalitate de inversare depinde de fiecare tip de osciloscop digital, dar în principiu aceasta există pe fiecare la setarile pe canal (CH1 și CH2). Tensiunile pe canal pot fi: CH1 = 1V / div și CH2 = 500mV și baza de timp între 50ms și 1 ms. La o baza de timp mai scurtă, de exemplu 500us veți observa procesul în sine cum se trasează fiecare curbă.
AICI puteți observa o animație cu circulația electronilor și a formelor de semnal !

În principiu, trebuie să obțineți ceva asemănător, după toate setările de mai sus. Grosimea liniilor diferă de memoria osciloscopului. Eu nu am mai stat să determin care ar fi memoria optimă, ci l-am setat pe un mod AUTO. Avantajul vizualizării pe osciloscopul analogic este că aceste curbe se vad mai subțiri !
Măsurătorile le puteți face folosind opțiunea CURSOR, care există pe majoritatea aparatelor digitale.

Pentru exemplificare în imaginea de mai jos am pus graficul generat pentru un tranzistor PNP (o chinezărie ieftină) cu hFE (factorul de amplificare) = 65.

După aceea, păstrând aceleași setări, am trasat graficul tot pentru un tranzistor NPN, un BC 547. Diferențele se văd cu ochiul liber, fără măsurători !

Uitându-ne pe imaginea de mai sus (selectând funcția CURSOR), putem determina curentul de colector corespunzător primei urme.
Deoarece după postarea inițială a articolului cineva a întrebat, cum ne putem da seama de valorile din grafic că nu vedem nimic în afară de linii (!!!), completez articolul cu acest model de calcul !
Doar ca exemplu de calcul, fiindcă dvs cu siguranță veți avea alte valori măsurate :
Vedem că AY este 500mV. Știind că dacă rezistența din colector R7 (R16) are 330 ohmi putem afla în acel punct curentul de colector după formula I=U/R, adică 0,5V/330 Ohmi = 0,001515 A sau 1,515 mA.
Tot în scop didactic, putem măsura și curentul din bază la acel punct, prin măsurarea tensiunii pe rezistența din bază, de 270 kO, notată în schemă cu R8 (R14). Dacă folosim sondele de pe osciloscop pe X10, vom avea o impedanță de intrare de 10 MO care va influența nesemnificativ valoarea de 270 kO. Bineînțeles că puteți măsura fără probleme și cu un multimetru… Dacă vrem să fim foarte riguroși, 270 kO în paralel cu 10 MO va deveni 262,9 kO, valoare pe care o vom lua în calcul, dacă tot ne-am deranjat să o calculăm ! Pentru curiozitate, puteți să faceți calculul și cu valoarea de 270 kO, presupunând că impedanța aparatului de măsură nu va influența această valoare (deși în viața reală este imposibil), dar veți vedea că diferențele sunt aproape nesemnificative ! Valoarea de 270 kO este valoarea reală măsurată cu multimetrul Fluke și nu cea înscrisă pe rezistență, doar impedanța de intrare de 10 MO de la osciloscop am luat-o de bună !
Pentru tranzistorul testat, s-a măsurat pe această rezistență o tensiune de 0,89 V. Atunci curentul de bază, care este același cu curentul care circulă prin această rezistență = 0,89V/262900 Ohmi = 0,00000339 A, adică 3,39 uA.
Dacă ne interesează hFE (factorul de amplificare al tranzistorului notat și cu β) atunci hFE=Ic/Ib = 0,001515/0,00000339= 447.
Nu este greu, chiar este distractiv !

Pe lângă tranzistorii PNP și NPN putem testa și trasa graficul și pentru diode ! Dioda de test se montează în locul tranzistorului de test între punctul de C și E, așa cum apare în schemă.
Pentru o diodă de siliciu, 1N4007, am obținut un astfel de grafic și din mărători rezultă că aceasta intră în conducție la 620 mV.

Treburile se schimbă puțin atunci când măsurăm o diodă cu germaniu. Aici am folosit pentru testare o diodă de detecție cu germaniu, din sticlă, tip EFD 108. Sigur, că epoca germaniului a apus demult, dar am fost curios !

Pentru a veni în ajutorul celor care doresc să construiască acest montaj atașez AICI o arhivă care poate fi descărcată și care conține circuitul imprimat, schema și amplasarea pieselor, toate în format PDF, la o rezoluție bună.
Deși inițial nu m-am gândit la o cutie, dar găsind prin lucrurile mele o cutiuță din plastic care se preta la așa ceva, m-am hotărât să și încasetez montajul. Am adoptat varianta cu șuruburi pe post de conectori deoarece se prind mai bine pe ele crocodilii de la sondele osciloscopului. Pentru tranzistori am optat pentru niște barete (un șir pe rând tip mamă) folosite pentru socluri.

Mult succes la construit !