Prosty obwód znacznika krzywej: wyznaczanie krzywej dla rezystora, diody i tranzystora

Większość elektroniki zajmuje się krzywymi śledzenia, czy to charakterystyczną krzywą przenoszenia dla pętli sprzężenia zwrotnego, prostą linią VI rezystora czy krzywą napięcia kolektora w funkcji prądu.

Te krzywe pozwalają nam intuicyjnie zrozumieć, jak zachowuje się urządzenie w obwodzie. Podejście analityczne może obejmować włączenie dyskretnych wartości napięcia i prądu do wzoru matematycznego i wykreślenie wyników, zwykle z osią x reprezentującą napięcie i osią Y reprezentującą prąd.

To podejście działa, ale czasami jest uciążliwe. A jak wie każdy hobbysta elektroniki, zachowanie elementów w prawdziwym życiu może różnić się (często bardzo) od wzoru opisującego ich działanie.

Tutaj będziemy używać obwodu (przebieg piłokształtny) do przyłożenia dyskretnego rosnącego napięcia do elementu, którego krzywą VI chcemy narysować, a następnie użyć oscyloskopu, aby wyświetlić wyniki.

Simple Curve Tracer

Aby wykreślić krzywą w czasie rzeczywistym, musimy przyłożyć do testowanego urządzenia kolejne dyskretne wartości napięcia, więc jak to zrobić?

Rozwiązaniem naszego problemu jest Sawtooth Waveform.

Przebieg piłokształtny rośnie liniowo i okresowo powraca do zera. Pozwala to na przyłożenie stale rosnącego napięcia do badanego urządzenia i tworzy ciągły ślad na wykresie (w tym przypadku oscyloskop).

Do „odczytu” obwodu służy oscyloskop w trybie XY. Oś X jest połączony z urządzeniem w ramach badania, a oś Y jest połączony z przebiegu Sawtooth.

Zastosowany tutaj obwód jest prostą odmianą wskaźnika krzywej wykorzystującego wspólne części, takie jak timer 555 i wzmacniacz operacyjny LM358.

Wymagane składniki

1. Dla timera

• Timer 555 - dowolny wariant
• Kondensator elektrolityczny 10uF (odsprzęgający)
• Kondensator ceramiczny 100nF (odsprzęgający)
• Rezystor 1K (źródło prądu)
• Rezystor 10 K (źródło prądu)
• Tranzystor BC557 PNP lub odpowiednik
• Kondensator elektrolityczny 10uF (taktowanie)

2. Dla wzmacniacza operacyjnego

• LM358 lub porównywalny wzmacniacz operacyjny
• Kondensator elektrolityczny 10uF (odsprzęgający)
• Kondensator ceramiczny 10nF (sprzęgło AC)
• Rezystor 10 M (sprzężenie AC)
• Rezystor testowy (zależy od testowanego urządzenia, zwykle od 50 omów do kilkuset omów).

Schemat obwodu

Wyjaśnienie robocze

1. Zegar 555

Zastosowany tutaj obwód jest prostą odmianą klasycznego obwodu astabilnego 555, który będzie działał jako generator przebiegów piłokształtnych.

Zwykle rezystor czasowy jest zasilany przez rezystor podłączony do zasilacza, ale tutaj jest podłączony do (surowego) źródła prądu stałego.

Stały prąd zasilający działa poprzez zapewnienie stałego napięcia polaryzacji baza-emiter, co skutkuje (w pewnym stopniu) stałym prądem kolektora. Ładowanie kondensatora prądem stałym powoduje liniowy przebieg narastający.

Ta konfiguracja wywodzi wyjście bezpośrednio z wyjścia kondensatora (czyli z rampy piłokształtnej, której szukamy), a nie z pinu 3, który zapewnia tutaj wąskie ujemne impulsy.

Obwód ten jest sprytny w tym sensie, że wykorzystuje wewnętrzny mechanizm 555 do sterowania generatorem rampy źródła prądu stałego - kondensator.

2. Wzmacniacz

Ponieważ sygnał wyjściowy pochodzi bezpośrednio z kondensatora (który jest ładowany ze źródła prądu), prąd dostępny do zasilania testowanego urządzenia (DUT) wynosi zasadniczo zero.

Aby to naprawić, używamy klasycznego wzmacniacza operacyjnego LM358 jako bufora napięcia (a zatem prądu). To nieco zwiększa prąd dostępny dla DUT.

Kondensator przebieg piłokształtny oscyluje w zakresie od 1/3 do 2/3 Vcc (działanie 555), co jest bezużyteczne w znaczniku krzywej, ponieważ napięcie nie narasta od zera, dając „niepełny” ślad. Aby to naprawić, wejście z 555 jest sprzężone prądem przemiennym z wejściem bufora.

Rezystor 10M to trochę czarnej magii - podczas testów odkryto, że jeśli rezystor nie został dodany, wyjście po prostu płynęło do Vcc i tam zostało! Dzieje się tak z powodu pasożytniczej pojemności wejściowej - wraz z wysoką impedancją wejściową tworzy integrator! Rezystor 10M wystarcza do rozładowania tej pasożytniczej pojemności, ale nie wystarcza do znacznego obciążenia obwodu prądu stałego.

Jak poprawić wyniki śledzenia krzywej

Ponieważ obwód ten obejmuje wysokie częstotliwości i wysokie impedancje, konieczna jest staranna konstrukcja, aby zapobiec niepożądanym szumom i oscylacjom.

Zalecane jest duże odsprzęganie. O ile to możliwe, staraj się unikać tworzenia makiet tego obwodu i zamiast tego użyj PCB lub perfboard.

Ten obwód jest bardzo prymitywny i przez to pełen temperamentu. Zaleca się zasilanie tego obwodu ze źródła o zmiennym napięciu. Nawet LM317 będzie działać w mgnieniu oka. Ten obwód jest najbardziej stabilny przy około 7,5 V.

Inną ważną rzeczą do rozważenia jest ustawienie skali poziomej na oscyloskopie - jeśli jest zbyt wysoka, cały szum o niskiej częstotliwości sprawia, że ​​ślad jest rozmyty, a jeśli jest zbyt niski, nie ma wystarczającej ilości danych, aby uzyskać „pełny” ślad. Znowu zależy to od ustawienia zasilania.

Uzyskanie użytecznego śladu wymaga starannego dostrojenia ustawienia podstawy czasu oscyloskopu i napięcia wejściowego.

Jeśli chcesz uzyskać przydatne pomiary, wymagany jest rezystor testowy i znajomość charakterystyk wyjściowych opamp. Przy odrobinie matematyki można uzyskać dobre wartości.

Jak korzystać z obwodu znakującego krzywej

Należy pamiętać o dwóch prostych rzeczach - oś X przedstawia napięcie, a oś Y przedstawia prąd.

Na oscyloskopie sondowanie osi X jest dość proste - napięcie jest „takie, jakie jest”, tj. Odpowiada woltom na działkę ustawionym na oscyloskopie.

Oś Y lub prąd jest nieco trudniejsze. Nie mierzymy tutaj bezpośrednio prądu, zamiast tego mierzymy napięcie spadające na rezystorze testowym w wyniku prądu płynącego przez obwód.

Wystarczy, że zmierzymy szczytową wartość napięcia na osi Y. W tym przypadku jest to 2V, jak widać na poprzednim rysunku.

Tak więc prąd szczytowy w obwodzie testowym wynosi

I _sweep = V _peak / R _test.

Stanowi to bieżący zakres „przemiatania”, od 0 do I _wobulacji.

W zależności od ustawienia wykres może rozciągać się na tyle działów na ekranie, ile jest dostępnych. Zatem prąd na działkę to po prostu prąd szczytowy podzielony przez liczbę działek, do których rozciąga się wykres, innymi słowy linia równoległa do osi X, w której styka się górna „końcówka” wykresu.

Śledzenie krzywej dla diody

Cały hałas i szum opisane powyżej są widoczne tutaj.

Jednak krzywa diody jest wyraźnie widoczna, z punktem „kolana” przy 0,7 V (zwróć uwagę na 500 mV na podziałkę X na skali).

Należy zauważyć, że oś X dokładnie odpowiada oczekiwanemu 0,7 V, co uzasadnia charakter odczytu osi X w stanie „takim, w jakim jest”.

Zastosowana tutaj rezystancja testowa wynosiła 1K, a więc zakres prądu wynosił od 0mA - 2mA. Tutaj wykres nie przekracza dwóch działek (w przybliżeniu), więc przybliżona skala byłaby 1 mA / działkę.

Śledzenie krzywej dla rezystora

Rezystory są elektrycznie najprostszymi urządzeniami, z liniową krzywą VI, czyli prawem Ohma, R = V / I. Oczywiste jest, że rezystory o niskiej wartości mają strome zbocza (wyższe I dla danego V), a rezystory o dużej wartości mają łagodniejsze zbocza (mniej I dla danego V).

Rezystancja testowa wynosiła tutaj 100 Ohm, więc zakres prądu wynosił 0mA - 20mA. Ponieważ wykres rozciąga się do 2,5 działki, prąd na działkę wynosi 8 mA.

Prąd rośnie o 16 mA dla napięcia, więc rezystancja wynosi 1 V / 16 mA = 62 Ω, co jest odpowiednie, ponieważ potencjometr 100 omów był urządzeniem testowanym.

Śledzenie krzywej tranzystora

Ponieważ tranzystor jest urządzeniem trójzaciskowym, liczba pomiarów, które można wykonać, jest dość duża, jednak tylko kilka z tych pomiarów znajduje powszechne zastosowanie, jednym z nich jest zależność napięcia kolektora od prądu bazowego (oba w odniesieniu do masy oczywiście) przy stałym prądzie kolektora.

Korzystanie z naszego znacznika krzywej powinno być łatwym zadaniem. Podstawa jest podłączona do stałego odchylenia, a oś X do kolektora. Rezystancja testowa zapewnia „stały” prąd.

Wynikowy ślad powinien wyglądać mniej więcej tak:

I _B Vs V _CE

Zauważ, że wykres pokazany powyżej jest skalą logarytmiczną, pamiętaj, że oscyloskop jest domyślnie liniowy.

Tak więc znaczniki krzywych są urządzeniami, które generują ślady VI dla prostych komponentów i pomagają uzyskać intuicyjne zrozumienie charakterystyk komponentów.