Осциллограф - ваш помощник (приставки к осциллографу)

Характериограф для транзисторов

С помощью предыдущей приставки можно лишь проверить работоспособность транзисторов. Но порою подобных сведений бывает недостаточно для решения об использовании того или иного транзистора в конструируемом устройстве. Ведь нередко бывает необходимо подобрать транзисторы, скажем, для выходного каскада радиоприемника, с одинаковыми или возможно близкими параметрами. Наиболее приемлемый практический путь здесь — измерение статического коэффициента передачи тока. Но лучшие результаты дает сравнение выходных характеристик транзисторов и отбор по ним приборов с одинаковыми данными.

О приставке к осциллографу для просмотра выходных характеристик транзисторов обеих структур — характериографе и пойдет рассказ. Но прежде чем начать его, следует сказать несколько слов о самых выходных характеристиках и ответить на вопрос, почему именно они выбраны для контроля характериографом.

Выходные характеристики транзистора — это зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при различных токах базы. Снимают подобные характеристики обычно при включении транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Вот, к примеру, как это делается для транзистора МП42Б (рис. 13, а).

Рис. 13, а

С помощью переменного резистора R1, подключенного к гальваническому элементу G1, изменяют ток базы транзистора, а напряжение на коллекторе устанавливают переменным резистором R2, подключенным к батарее GB1 (например, составленной из восьми элементов напряжением 1,5 В). Базовый ток контролируют микроамперметром РА1, коллекторный — миллиамперметром РА2, а напряжение между коллектором и эмиттером — вольтметром PV1.

Установив ток базы, скажем, равным 20 мкА, подают на коллектор напряжение 1 В, 2 В, 3 В и т. д. Для каждого значения напряжения определяют значение коллекторного тока транзистора. Затем задают другие значения тока базы (40, 60, 80 мкА и т. д.) и вновь определяют коллекторный ток при разных напряжениях на коллекторе. А затем по полученным данным вычерчивают график (рис. 13, б) семейства выходных характеристик данного транзистора.

Рис. 13, б

Подобные графики вы встретите в справочниках по транзисторам.

О чем свидетельствуют выходные характеристики? Во-первых, выходной ток, т. е. ток коллектора, почти не зависит от напряжения на коллекторе, а определяется лишь заданным базовым током.

Во-вторых, при имеющемся источнике питания каскада задаваемый коллекторный ток может быть обеспечен при вполне определенном токе базы. Скажем, если нужен коллекторный ток 4,5 мА при напряжении источника питания 4,5 В, ток базы должен быть 40 мА. А для коллекторного тока 8 мА при том же питании придется увеличить базовый ток до 80 мкА. Вот так по выходным характеристикам вы можете определять нужный начальный ток базы, а уже по нему рассчитывать сопротивление базового резистора.

Кроме того, по выходным характеристикам нетрудно определить выходное сопротивление транзистора для постоянного или переменного тока — параметры, которые необходимо знать для расчета усилительных каскадов и правильного согласования их. Например, сопротивление по постоянному току в рабочей точке А составит:

R₌ = U_k/I_k,

где R₌ — сопротивление транзистора, Ом; U_k — напряжение на коллекторе транзистора, В; I_k — ток коллектора, A. В нашем примере сопротивление составит 1000 Ом. В точке Б сопротивление будет ниже.

Для переменного тока сопротивление в той же точке A можно определить по формуле:

R_~ = ΔU_k/ΔI_k,

где R_~ — сопротивление транзистора, кОм; ΔU_k — приращение напряжения на коллекторе, В; ΔI_k — соответствующее ему приращение коллекторного тока, мА.

Для показанных на графике рис. 13, б приращений нетрудно подсчитать, что сопротивление транзистора составит примерно 15 кОм.

И еще. По выходным характеристикам можно определить статический коэффициент передачи тока базы в данной рабочей точке. Для этого нужно разделить значение коллекторного тока на ток базы. Скажем, для точки А коэффициент передачи составит 105, в точке Б он уменьшится до 100. Видите, сколько полезных сведений удалось получить по выходным характеристикам транзистора? Вот почему, сравнивая между собой различные выходные характеристики, можно точнее подобрать одинаковые по параметрам транзисторы.

А теперь о нашем приборе-приставке. Его задача — подавать на проверяемый транзистор изменяющееся коллекторное напряжение и ступенчато изменяющееся базовое напряжение, определяющее базовый ток. «Ступеньки» тока должны быть одинаковы. Тогда на экране осциллографа, подключенного к коллекторной цепи транзистора, можно будет «увидеть» выходные характеристики.

Схема практической приставки-характериографа, разработанной курским радиолюбителем Игорем Александровичем Нечаевым, приведена на рис. 14.

Питается приставка от сети переменного тока, напряжение которой подается выключателем Q1 на понижающий трансформатор Т1. Со вторичной обмотки напряжение подается на два выпрямителя. Первый выполнен на диоде VD1, сглаживающем фильтре C1R1C2 и стабилитроне VD3. Он используется для питания микросхем приставки.

Второй выпрямитель — на диоде VD2 обеспечивает пульсирующее напряжение, необходимое для питания коллекторной цепи проверяемого транзистора и получения горизонтальной линии развертки осциллографа.

На элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов, следующих со сравнительно большой частотой — около 100 кГц. Они поступают на инвертор DD1.3 и делитель частоты на 2, выполненный на триггере DD2. К выходам инвертора и триггера подключен так называемый цифроаналоговый преобразователь, составленный из резисторов R5—R8. В точке А преобразователя образуется ступенчатое напряжение, показанное на рис. 15, а.

Рис. 15, а.

Когда к гнездам «Э», «Б», «К» разъема XS1 подключают проверяемый транзистор структуры n-р-n, а переключатели SB1 и SB2 оказываются установленными в показанное на схеме положение, на коллектор транзистора поступает пульсирующее напряжение, изменяющееся по амплитуде от нуля до 20 В. Одновременно на базу транзистора подается ступенчатое напряжение с цифроаналогового преобразователя, но через цепочку из последовательно соединенных резисторов R9 и R10. Переменным резистором R10 можно изменять это напряжение, а значит, ток в цепи базы. Причем при перемещении движка резистора пропорционально изменяется базовый ток от каждой «ступеньки» напряжения.

Протекающий при этом ток (он тоже «ступенчатый») через транзистор создаст «ступенчатое» падение напряжения на резисторе R11, включенном в эмиттерную цепь транзистора. Снимаемое с резистора напряжение подается через вилку ХРЗ на вертикальный вход осциллографа. «Земляной» щуп осциллографа соединяют с вилкой ХР4, а сигнал с вилки ХР2 подают на горизонтальный вход осциллографа. Поскольку частота изменения «ступенек» тока на базе транзистора значительно (в 2000 раз) выше частоты развертки, на экране появляются практически непрерывные (хотя на самом деле они из отдельных точек) изображения выходных характеристик транзистора (рис. 15, б).

Рис. 15, б

Следует сразу уточнить, что в данном случае наблюдается не коллекторный, а эмиттерный ток, который практически совпадает с коллекторным (разница может составить десятки микроампер что несущественно для наших измерений).

Гнезда разъема XS2 служат для подключения к приставке второго транзистора аналогичной структуры. Нажимая и отпуская кнопку SB1, можно наблюдать на экране осциллографа выходные характеристики либо первого, либо второго транзистора и сравнивать их между собой.

Когда же нужно проверить транзисторы структуры р-n-р и сравнить их между собой, используют гнезда разъемов XS3 и XS4. Но в этом случае ступенчатое напряжение на базу транзистора подается через так называемое «зеркало тока», составленное из транзисторов VТ1 и VT2. Оно обеспечивает такую же полярность сигнала на базе транзистора структуры р-n-р по отношению к эмиттеру, что и в случае проверки транзистора другой структуры. В результате картина выходных характеристик на экране неизменна при проверке транзисторов любой структуры.

Приставка-характериограф позволяет наблюдать на экране выходные характеристики для четырех значений тока базы (один из токов — нулевой). Конечно, возможно и большее число градаций базового тока, но, к сожалению, на малогабаритном экране ОМЛ-2М (ОМЛ-ЗМ) они будут плохо различимы. Да к тому же усложнится и конструкция приставки.

В приставке могут быть использованы, кроме указанных на схеме микросхемы К176ЛЕ5, К561ЛЕ5, К561ЛА7 (DD1), К561ТМ2 (DD2); транзисторы КТ315А — КТ315И с возможно близкими параметрами; диоды КД102Б, КД103А, КД105Б — КД105Г, Д226Б; стабилитрон D809. Постоянные резисторы могут быть типов МЛТ, ВС, переменный R10 — СПО-0.5, СПЗ-12. Конденсаторы C1, С2 —К50-3, К50-6, К50-12; С3 — МБМ, БМ, КЛС; С4 — КД, КТ, КЛС. Выключатель Q1 — П2К с фиксацией положения, переключатель SB2 — также П2К с фиксацией положения, a SB1 — аналогичный, но без фиксации положения. В качестве разъемов для подключения выводов транзисторов использованы панельки от микросхем серии К155, но подойдут и другие малогабаритные разъемы с гнездами.

Трансформатор питания Т1 — готовый, от радиоприемника «Альпинист-417». Можно использовать любой другой маломощный и малогабаритный трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 12…15 В при токе нагрузки до 100 мА.

Часть деталей приставки смонтирована на печатной плате (рис. 16), а часть установлена на лицевой панели — крышке металлического корпуса (рис. 17). Плата укреплена на боковой стенке корпуса.

Проверять и налаживать приставку будете с помощью осциллографа, работающего в автоматическом режиме, с открытым входом и установленной чувствительностью 10 В/дел. Сначала входные щупы осциллографа подключите к выводам вторичной обмотки трансформатора и убедитесь в наличии переменного напряжения — размах колебаний здесь будет около 40 В (рис. 18, а). Затем подсоедините «земляной» щуп осциллографа к вилке ХР4, а входной — к вилке ХР2. Теперь на экране появятся однополупериодные колебания амплитудой около 20 В (рис. 18, б).

Рис. 18, а, б

Далее подключите входной щуп к плюсовому выводу конденсатора С1 — вы увидите извилистую линию, отстоящую от линии развертки примерно на два деления (рис. 18, в). Это выпрямленное напряжение с пульсациями. Уровень пульсаций нетрудно измерить, переключив осциллограф в режим закрытого входа и установив чувствительность 1 В/дел., — он составит почти 3 В.

Переставив входной щуп осциллографа (он вновь работает в режиме с открытым входом) на вывод катода стабилитрона, увидите практически прямую линию (рис. 18, г), приподнятую над линией развертки почти на деление. Это питающее напряжение микросхем, стабилизированное стабилитроном. Уровень пульсации его не превышает 0,05 В, что вполне допустимо для наших целей.

Рис. 18, в, г

Переходим к проверке генераторной части приставки. Здесь также удобно пользоваться осциллографом в режиме открытого входа. Развертка пока находится в автоматическом режиме с внутренней синхронизацией. Входным щупом осциллографа коснитесь вывода 10 элемента DD1.3. На экране появятся две параллельные линии. Нужно подобрать длительность развертки, например, равной 5 мкс/дел., и после этого включить ждущий режим на осциллографе с запуском от плюсового сигнала. На экране появятся импульсы генератора (рис. 19, а). Вершины импульсов — это уровни логической 1, а площадки у основания — уровни логического 0. Передние фронты импульсов отстоят друг от друга на 10 мкс, значит, частота следования их равна 100 кГц.

Перенесите входной щуп осциллографа на вывод 1 триггера DD2 — здесь импульсы более широкие (рис. 19, б) и следуют с вдвое меньшей частотой.

Рис. 19, а, б

Результат суммирования обоих сигналов (с выходов элемента DD1.3 и триггера), иначе говоря, результат работы аналого-цифрового преобразователя, увидите в точке А соединения выводов резисторов R6, R8, Д9 (рис. 19, в). Чтобы лучше рассмотреть изображение, увеличьте чувствительность осциллографа до 2 В/дел. и сместите линию развертки, например, на нижнее деление масштабной сетки (рис. 19, г).

Рис. 19, в, г

Не правда ли, наблюдается ступенчатое нарастание сигнала? Но «ступеньки» смотрятся сглаженными, едва похожими на показанные на рис. 15, а. «Виноват» осциллограф. Ведь его входная емкость сравнительно велика (40 пФ), а наблюдение весьма короткого (длительностью 5 мкс для каждой «ступеньки») импульсного сигнала ведется на делителе со сравнительно большим сопротивлением резисторов. Происходит интегрирование сигнала, и передние фронты импульсов «заваливаются».

Как избавиться от этого «дефекта»? Нужно уменьшить входную емкость измерительной цепи, подключив входной щуп осциллографа к указанной точке через конденсатор небольшой емкости — 10…5 пФ. На экране увидите четкие «ступеньки», правда, для их наблюдения придется увеличить чувствительность осциллографа. А чтобы изображение не было искажено наводками, придется либо подпаять щуп (проводник от него) к проверяемой точке, либо дотронуться второй рукой до «земляного» щупа, если входной держите в руке.

После этого можно подключить входной щуп осциллографа к вилке ХР3 (или вставить вилку непосредственно во входное гнездо осциллографа), а вилку ХР2 соединить с гнездом «Вх. Х (СИНХР.)» осциллографа через переменный резистор сопротивлением 100 кОм. Осциллограф теперь должен работать р режиме внешней развертки (кнопка «РАЗВ.-ВХ.Х» нажата) с открытым (можно и с закрытым) входом.

Дополнительным переменным резистором установите длину линии развертки равной восьми делениям, а саму линию сместите на нижнее деление масштабной сетки (рис. 20, а). Поскольку амплитуда поступающего с вилки ХР2 напряжения равна 20 В, цена деления линии будет соответствовать 2,5 В.

Переключатели приставки установите в показанное на схеме положение, а движок переменного резистора R10 — примерно в среднее положение. Вставьте в гнезда разъема XS1 транзистор, скажем, КТ315Б. На экране осциллографа должна появиться картина выходных характеристик, которую можно установить удобной для наблюдения (рис. 20, б) изменением чувствительности осциллографа (например, установив чувствительность 0,2 В/дел.).

Рис. 20, а, б

При перемещении движка переменного резистора R10 будет изменяться расстояние между ветвями характеристик — изображение будет либо сжиматься, либо растягиваться. Но сказать что-либо конкретное о параметрах транзистора, например о его коэффициенте передачи, нельзя, поскольку еще не отградуированы шкала переменного резистора и значение базового тока, а также его приращения еще не известны.

Займемся градуировкой шкалы переменного резистора. Резистор R3 временно отсоедините от общего прохода и освободившийся вывод соедините с гнездом «Б» разъема XS3. Параллельно резистору R3 подключите входные щупы осциллографа («земляной» щуп — к верхнему по схеме выводу резистора), работающего в автоматическом режиме, с внутренней разверткой. Длительность развертки установите 5 мкс/дел., а чувствительность 0,05 В/дел.

Переключатель SB2 переведите в положение «р-n-р» и включите приставку. На экране осциллографа появится сигнал, размах которого зависит от чувствительности. Если он достаточный (3…4 деления), можете переключить осциллограф в ждущий режим и засинхронизировать изображение. Это будут зеркальные (по сравнению с показанными на рис. 15 и 19) «ступеньки» (рис, 20, г).

Рис. 20, в, г

Перемещением движка переменного резистора К10 можете изменять амплитуду «ступенек», т. е. изменять ток, протекающий через резистор R3, а значит, через будущую базовую цепь проверяемых транзисторов.

Установив сначала движок резистора в положение максимального сопротивления (т. е. минимального базового тока), измерьте амплитуду любой из «ступенек» (они должны быть одинаковые), а затем подсчитайте приращение базового тока по формуле:

ΔI_б = 10⁶∙U_с/R3,

где ΔI_б — приращение базового тока, мкА; U_c — амплитуда «ступеньки», В; R3 — сопротивление резистора R3, Ом. Полученное значение проставляют на шкале резистора.

Аналогично определяют и отмечают на шкале значения приращений тока в промежуточных и другом крайнем положениях движка резистора. Вообще достаточно нанести на шкалу 4–5 значений, скажем, 30, 40, 50, 75, 100 мкА.

Вот теперь можно восстановить подключение резистора R3 к общему проводу и вернуться к наблюдению выходных характеристик. А уже по ним определить коэффициент передачи (рис. 20, в) по формуле:

h_21Э = 10⁶∙ΔU/ΔI_б∙R11

где h_21Э — коэффициент передачи транзистора; ΔU — амплитуда «ступеньки», В; ΔI_б —значение приращения тока базы, установленное переменным резистором R10, мкА; R11 —сопротивление резистора R11, Ом.

В показанном на рис. 20, в примере движок переменного резистора R10 находился в положении «50 мкА», а чувствительность осциллографа установлена равной 0,2 В/дел. Поэтому коэффициент передачи транзистора составил 80. Подключая другие транзисторы, попробуйте определить их коэффициент передачи. В ставив же в гнезда XS1 и XS2 пару транзисторов структуры n-p-n, а в гнезда XS3 и XS4 пару транзисторов структуры р-n-р, сможете сравнивать их друг с другом по наблюдаемым характеристикам.

При работе с приставкой следует помнить, что она рассчитана на проверку маломощных транзисторов. Кроме того, большая частота изменения «ступенек» базового тока затрудняет испытания низкочастотных транзисторов (например, МП26Б). Если все же вы пожелаете использовать приставку и для таких транзисторов, рекомендуется изменить (уменьшить) частоту генератора увеличением сопротивления резистора R4 вплоть до 3 МОм.

Может случиться, что с установленными транзисторами VT1 и VT2 «зеркало тока» будет работать ненадежно. Тогда придется несколько изменить его схему — в эмиттерные цепи транзисторов включить резисторы сопротивлением по 20 кОм, а резистор R9 переставить в цепь верхнего, по схеме, контакта секции SB2.1 переключателя структуры.

На приставке-характериографе можно проверять, как и на предыдущей приставке, полупроводниковые диоды и стабилитроны — их выводы подключают к гнездам «К» и «Э» разъемов XS1 и XS2.

И последнее. Приставка-характериограф пригодна, кроме OMЛ-2M (OMЛ-3M), для других осциллографов, снабженных гнездом внешней развертки (вход усилителя горизонтального отклонения). В зависимости от чувствительности этого входа подбирают сопротивление внешнего добавочного резистора в цепи вилки ХР2, чтобы получить нужную длину линии развертки.

Если этот характериограф позволяет наблюдать четыре зависимости тока коллектора от напряжения коллектор — эмиттер при фиксированных токах базы, то с помощью приставок, разработанных брянским радиолюбителем В. Иноземцевым, на экране осциллографа появляются восемь таких характеристик.

На рис. 21 приведена схема первого варианта приставки-характериографа, предназначенной для проверки маломощных транзисторов обеих структур. Причем выводы транзисторов структуры n-p-n включают в гнезда XS1—XS3, а транзисторов структуры р-n-р — в гнезда XS4—XS6.

Фиксированные токи базы исследуемых транзисторов получают благодаря включению в цепь базы «весовых» (т. е. кратных какому-то значению — «весу») резисторов R13 (R), R12 (2R), R11 (4R) с помощью электронных ключей VT5, VT4 и VT3 соответственно. В свою очередь, электронные ключи управляются сигналами с выходов счетчика DD1, поэтому в зависимости от состояний счетчика получаются восемь значений тока базы: 0, I_б, 2I_б…. 7I_б.

Счетчик переключается импульсами, следующими с частотой 100 Гц, — они поступают на вход С2 счетчика с коллектора транзистора VT2. Сигнал на базу этого транзистора в виде пульсирующего напряжения частотой 100 Гц подается с диода VD5.

На диодах VDl — VD5 собран выпрямитель для питания базовой цепи исследуемого транзистора и микросхемы DD1. Напряжение на микросхему подается с параметрического стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD7 и подключенного к выпрямителю. Еще один параметрический стабилизатор, выполненный на резисторе R2 и стабилитроне VD6, применен для получения напряжения, питающего базовую цепь проверяемого транзистора, иначе говоря, напряжения, определяющего токи через резисторы R11—R13. Чтобы эти токи можно было изменять в зависимости от коэффициента передачи исследуемого транзистора, в стабилизатор введен регулирующий транзистор VT1, на базу которого напряжение с параметрического стабилизатора поступает через переменный резистор R3. При изменении положения движка этого резистора изменяется напряжение на резисторе нагрузки R5, а значит, изменяются «порции» тока в базовой цепи исследуемого транзистора при открывании ключей на транзисторах VT3—VT5. Для ограничения тока в базовых цепях транзисторов ключей установлены резисторы R8—R10.

На диодах VD8—VD11 собран еще один выпрямитель, но без конденсатора фильтра на выходе. Поэтому с него снимается пульсирующее напряжение частотой 100 Гц, используемое для питания цепи коллектор — эмиттер исследуемого транзистора. Напряжение с резистора R14, пропорциональное току коллектора транзистора структуры р-n-р или току эмиттера транзистора структуры n-p-n, подастся на вертикальный (Вход осциллографа. Поскольку в схеме включения транзистора ОЭ (общий эмиттер) ток коллектора незначительно отличается от тока эмиттера, оказалось возможным включить резистор R14 в цепь эмиттера исследуемого транзистора структуры n-p-n. При таком построении измерительной цепи смещение луча осциллографа от нулевого положения происходит вправо и вверх, т. е. характеристики получаются удобными для наблюдения.

Направление тока в цепи базы в зависимости от структуры исследуемого транзистора изменяют переключателем SA1.

Переменные напряжения на выпрямители можно подавать только с разных обмоток трансформатора… Причем обмотка, с которой снимается напряжение на диоды VD1—VD4, должна иметь возможно малую емкостную связь с сетевой обмоткой, иначе могут появиться наводки на изображении с частотой сети. Наиболее просто уменьшить эту связь применением П-образного магнитопровода для трансформатора и размещением обмоток на разных сердечниках магнитопровода. Помехи более высоких частот, способные проникнуть из сети, фильтруются конденсатором С2.

Большая часть указанных на схеме деталей может быть смонтирована на печатной плате (рис. 22) из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

Поскольку оксидный конденсатор С1 использован сравнительно большой емкости, его допустимо составить из нескольких конденсаторов меньшей емкости (например, 1000 мкФ) соединенных параллельно. Для этого на плате предусмотрено место и дополнительные отверстия под конденсаторы К50-6.

Если предполагается проверять только транзисторы структуры n-р-n, можно собрать более простую приставку-характериограф по схеме, приведенной на рис. 23. В этом случае к трансформатору, с которого снимается переменное напряжение 10 В, каких-либо особых требований не предъявляется.

«Весовые» резисторы (R11—R13 на рис. 21 и R4—R6 на рис. 23) выбирают в зависимости от требуемых токов базы. Для исследования транзисторов малой мощности «выбран «вес», равный 20 кОм. При исследовании более мощных транзисторов он может быть иным. Но в любом варианте соотношение сопротивлений резисторов R13, R12 и R11 (R6, R5 и R4 для рис. 23) должно оставаться равным 1:2:4.