Enkel kurvspårningskrets: spårning av kurvan för motstånd, diod och transistor

Det mesta av elektroniken handlar om spårningskurvor, vare sig det är den karakteristiska överföringskurvan för en återkopplingsslinga, ett motstånds raka VI-linje eller en transistors kollektorspänning kontra strömkurvan.

Dessa kurvor ger oss en intuitiv förståelse för hur en enhet beter sig i en krets. Ett analytiskt tillvägagångssätt kan innebära att man kopplar in diskreta spännings- och strömvärden i en matematisk formel och graferar resultaten, vanligtvis med x-axeln som representerar spänning och y-axeln representerar ström.

Detta tillvägagångssätt fungerar, men ibland är det tråkigt. Och som varje elektronikhobbyist vet, kan beteendet hos komponenter i verkliga livet variera (ofta till stor del) från formeln som beskriver dess funktion.

Här kommer vi att använda en krets (Sawtooth waveform) för att applicera diskret ökande spänning på komponenten vars VI-kurva vi vill rita och sedan använda ett Oscilloskop för att se resultaten.

Enkel kurvspårare

För att plotta en kurva i realtid måste vi tillämpa på varandra diskreta spänningsvärden på vår enhet som testas, så hur kan det göras?

Lösningen på vårt problem är Sawtooth Waveform.

Sawtooth-vågformen stiger linjärt och går tillbaka till noll med jämna mellanrum. Detta möjliggör applicering av en kontinuerligt ökande spänning på enheten som testas och producerar en kontinuerlig spårning i en graf (i detta fall oscilloskopet).

Ett oscilloskop i XY-läge används för att "läsa" kretsen. Den X-axeln är ansluten till anordningen under test och Y-axeln är ansluten till sågtandsvågform.

Kretsen som används här är en enkel variant av en kurvspårare som använder vanliga delar som 555-timern och LM358 op-amp.

Komponenter krävs

1. För timern

555 timer - valfri variant
10uF elektrolytkondensator (frikoppling)
100nF keramisk kondensator (frikoppling)
1K motstånd (nuvarande källa)
10K motstånd (nuvarande källa)
BC557 PNP-transistor eller motsvarande
10uF elektrolytkondensator (timing)

2. För Op-amp-förstärkaren

LM358 eller jämförbar opamp
10uF elektrolytkondensator (frikoppling)
10nF keramisk kondensator (AC-koppling)
10M motstånd (AC-koppling)
Testmotstånd (beror på vilken enhet som testas, vanligtvis mellan 50 ohm och några hundra ohm.)

Kretsschema

Arbetsförklaring

1. 555-timern

Kretsen som används här är en enkel variant av den klassiska 555 astabla kretsen som fungerar som Sawtooth waveform generator.

Vanligtvis matas tidsmotståndet genom ett motstånd anslutet till strömförsörjningen, men här är det anslutet till en (rå) konstant strömkälla.

Den konstanta strömförsörjningen fungerar genom att tillhandahålla en fast bas-emitter-förspänning, vilket resulterar i en (något) konstant kollektorström. Laddning av en kondensator med konstant ström resulterar i en linjär rampvågform.

Denna konfiguration härrör utgången direkt från kondensatorutgången (som är sågtandrampen vi letar efter) och inte från stift 3, som ger smala negativa pulser här.

Denna krets är smart i den meningen att den använder 555: s interna mekanism för att styra en rampgenerator med konstant strömkälla-kondensator.

2. Förstärkaren

Eftersom utgången härrör direkt från kondensatorn (som laddas från strömkällan) är strömmen tillgänglig för att driva enheten under test (DUT) i princip noll.

För att åtgärda detta använder vi den klassiska LM358 opamp som en spänningsbuffert (och därmed nuvarande). Detta ökar DUTs nuvarande ström.

Kondensatorn Sawtooth-vågformen svänger mellan 1/3 och 2/3 Vcc (555 action), vilket är oanvändbart i en kurvspårare eftersom spänningen inte ramlar från noll vilket ger ett "ofullständigt" spår. För att fixa detta är ingången från 555 AC kopplad till buffertingången.

10M-motståndet är lite svart magi - det upptäcktes under testningen att om motståndet inte lades till, flöt utgången helt enkelt till Vcc och stannade där! Detta beror på den parasitiska ingångskapacitansen - tillsammans med den höga ingångsimpedansen bildar den en integrator! 10M-motståndet räcker för att urladda denna parasitära kapacitans men inte tillräckligt för att avsevärt ladda den konstanta strömkretsen.

Hur man förbättrar kurvspårningsresultaten

Eftersom denna krets involverar höga frekvenser och höga impedanser, behövs noggrann konstruktion för att förhindra oönskat brus och svängning.

Riklig frikoppling rekommenderas. Försök så långt som möjligt att undvika att gå ombord denna krets och använd istället ett PCB eller en perfboard.

Denna krets är väldigt rå och därmed temperamentsfull. Det rekommenderas att strömkretsen drivs från en variabel spänningskälla. Även en LM317 fungerar i en nypa. Denna krets är mest stabil vid cirka 7,5 V.

En annan viktig sak att tänka på är den horisontella skalningsinställningen på räckvidden - om det är för högt gör allt lågfrekvent brus spåret otydligt och om det är för lågt finns det inte tillräckligt med data för att få ett 'komplett' spår. Återigen beror detta på inställningen för strömförsörjning.

Att få ett användbart spår kräver noggrann inställning av oscilloskopets tidsinställning och ingångsspänning.

Om du vill ha användbara mätningar krävs ett testmotstånd och kunskap om opamp-utmatningsegenskaper. Med lite matematik kan bra värden uppnås.

Hur man använder Curve Tracer Circuit

Det finns två enkla saker att tänka på - X-axeln representerar spänningen och Y-axeln representerar strömmen.

I ett oscilloskop är det helt enkelt att sondera X-axeln - spänningen är "som den är", dvs motsvarar volt per division inställd på oscilloskopet.

Den Y eller nuvarande axel är något svårare. Vi mäter inte direkt strömmen här utan vi mäter spänningen som tappats över testmotståndet som ett resultat av strömmen genom kretsen.

Det räcker om vi mäter toppspänningsvärdet på Y-axeln. I det här fallet är det 2V, vilket ses i föregående figur.

Så toppströmmen genom testkretsen är

Jag _sveper = V- _topp / R- _test.

Detta representerar det "svepande" nuvarande intervallet, från 0 - Jag _sveper.

Beroende på inställningen kan diagrammet sträcka sig till så många avdelningar på skärmen som det finns. Så strömmen per division är helt enkelt toppströmmen dividerad med antalet delningar som diagrammet sträcker sig till, med andra ord linjen parallell med X-axeln där den övre 'spetsen' på grafen berör.

Kurvspårning för diod

Allt buller och fuzz som beskrivs ovan ses här.

Diodkurvan kan dock tydligt ses, med "knä" -punkten vid 0,7V (notera 500mV per skala X-skala).

Observera att X-axeln överensstämmer exakt med den förväntade 0,7 V, vilket motiverar X-axelavläsningens 'som det är'.

Testmotståndet som användes här var 1K, så det aktuella intervallet var från 0mA - 2mA. Här överstiger inte diagrammet två divisioner (ungefär), så en grov skala skulle vara 1mA / division.

Kurvspårning för motstånd

Motstånd är elektriskt de enklaste enheterna, med en linjär VI-kurva, aka Ohms lag, R = V / I. Det är uppenbart att motstånd med lågt värde har branta sluttningar (högre I för given V) och högt värde motstånd har mildare lutningar (mindre I för given V).

Testmotståndet här var 100 ohm, så det aktuella intervallet var 0mA - 20mA. Eftersom diagrammet sträcker sig till 2,5 divisioner är strömmen per division 8mA.

Strömmen stiger 16mA för en volt, så motståndet är 1V / 16mA = 62 Ohm, vilket är lämpligt eftersom en 100 Ohm-pott var DUT.

Kurvspårning för transistor

Eftersom transistorn är en treterminalanordning är antalet mätningar som kan göras ganska stort, men endast ett fåtal av dessa mätningar finner vanlig användning, varav en är beroendet av kollektorspänningen på basströmmen (båda refereras till jord, naturligtvis) vid en konstant samlingsström.

Med hjälp av vår kurvspårare bör detta vara en lätt uppgift. Basen är ansluten till en konstant förspänning och X-axeln till samlaren. Testmotståndet ger den "konstanta" strömmen.

Det resulterande spåret ska se ut så här:

I _B Vs V _CE

Observera att grafen som visas ovan är en loggskala, kom ihåg att oscilloskopet är linjärt som standard.

Så kurvspårare är enheter som producerar VI-spår för enkla komponenter och hjälper till att få en intuitiv förståelse av komponentegenskaper.