Электронная система лабораторного стенда автоматического снятия вольтамперных характеристик транзисторов

Актуальность. Транзистор является базовым элементом современной полупроводниковой электроники. Естественно, что студенты технических специальностей должны хорошо знать принцип действия транзистора и его основные характеристики. Наиболее полно транзистор характеризуют его вольтамперные характеристики (ВАХ). По известным ВАХ определяют все основные характеристики транзистора: коэффициенты передачи по току и напряжению, входное и выходное сопротивления, напряжение насыщения и т.д. Эти характеристики широко используют при расчете транзисторных каскадов, построении линейных и имитационных моделей транзисторов.

Для приобретения профессиональных знаний и умений по данному вопросу у студентов, изучающих электронику и ее элементную базу, предусмотрен соответствующий лабораторный практикум по снятию ВАХ транзисторов и определению его основных статических характеристик.

Традиционно ВАХ транзисторов студенты снимают вручную по точкам с дальнейшим построением графиков и обработкой результатов. Ручной способ достаточно трудоемкий, требует много времени, недостаточно наглядный с высокой вероятностью ошибки и частых повторных измерениях. Поэтому актуальной задачей является автоматизация процесса снятия и первичной обработки ВАХ транзисторов, что многократно ускорит и упростит экспериментальную часть работы, существенно повысит наглядность, снизит риск ошибки, позволит сосредоточить внимание студентов на более полной обработке и анализе полученных измерительных данных.

В данной работе представлены результаты разработки и испытаний макетного образца лабораторного стенда для снятия ВАХ биполярных n-p-n транзисторов малой мощности с предельным током коллектора Ik max=100 мА и допустимой рассеиваемой мощностью до 1 Вт.

Схема и алгоритм работы стенда. Рассмотрим функциональную схему электронной системы разработанного стенда, представленную на рисунке 1. В состав стенда входит персональный компьютер ПК (ноутбук), на котором реализован визуальный интерфейс оператора для задания исходных данных (количество измерительных точек, частота их расположения, диапазоны токов и напряжений, пр.) и осуществляется регистрация и визуализация массивов измерительных данных.

Исходные данные с ПК через последовательный USB-интерфейс передаются в 8-разрядный бюджетный AVR микроконтроллер МК типа ATmega8, который управляет процессом измерений по заданному программному алгоритму. Реализуются следующие основные операции.

1. При помощи двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), выполненных на базе встроенных широтно-импульсных модуляторов (ШИМ) для каждой точки ВАХ МК формирует соответствующие входное (U1) и выходное (U2) напряжения исследуемого транзистора.
2. Измеряются потенциалы базы (Uб0) и эмиттера (Uэ0) исследуемого транзистора. Предварительно эти потенциалы усиливаются усилителями в 5 и 40 раз соответственно и поступают на входы встроенного в МК 10-разрядного АЦП
   

   Рисунок 1 – Функциональная схема электронной системы лабораторного стенда

3. По измеренным потенциалам базы и эмиттера МК по формулам (1-4) вычисляет входные и выходные токи и напряжения транзистора. Ток базы:
   

   Напряжение база-эмиттер:

   

   Ток коллектора:

   

   Напряжение коллектор-эмиттер:

   
4. Далее процесс повторяется для каждой последующей измерительной точки.

Реализация. Предложенная функциональная схема (рис.1) была реализована в виде макетного образца состоящего из двух печатных плат: цифровой платы микроконтроллера и аналоговой платы с усилителями, фильтрами и исследуемым транзистором на разъеме. Программа для МК написана на языке Си в среде CodeVisionAVR. Визуальная оболочка для ПК разработана в пакете Delphi 7.

Испытания. На рисунке 2 представлены результаты снятия выходных ВАХ транзистора BC547. При продолжительности измерений в каждой точке порядка 0,1 секунды общее время снятия ВАХ, как правило, не превышает 10-15 секунд.

Выводы

1. Разработанный стенд позволяет полностью автоматизировать процедуру снятия ВАХ биполярного транзистора, что многократно сокращает время эксперимента и повышает достоверность измерительных данных.
2. Стенд является наглядной демонстрацией широких возможностей современной элементной базы при решении актуальных задач автоматизации.

ЛИТЕРАТУРА

1. MicroData – документация к электронным компонентам [Электроныйресурс]: Режим доступа: URL: www.microdata.com.ru
2. Официальный сайт Arduino [Электронный ресурс]: Режим доступа: URL: arduino.cc