Универсальный «бетник» на TL431. Прибор для определения коэффициента усиления по току биполярных транзисторов

Датагорцам большой привет!
В моей первой местной статье описано устройство, позволяющее определять коэффициент усиления по току биполярных транзисторов различной мощности обеих структур при значениях тока эмиттера от 2 мА до 950 мА.

На определенном этапе постижения темы усилителестроения я понял, что от двухтактных схем усилителей невозможно добиться высокого качества воспроизведения без тщательного подбора транзисторов в пары. Двухтакт изначально предполагает некую степень симметрии плеч, а, следовательно, ставить транзисторы в макет усилителя стоит только после того, как стало известно, какие параметры имеют транзисторы, которые вы держите в руках.

Это был отправной момент. Помимо этого, авторы многих схем выдвигают требования к параметрам устанавливаемых в схему транзисторов, в частности к их способности усиливать сигнал.
И, наконец, интересовала проблема выбора оптимального начального тока транзистора, чтобы поставить прибор в режим, обеспечивающий максимальную линейность его работы.
Собственно встал вопрос, какие параметры и чем измерять?

↑ Немного теории

В современных изданиях в качестве оценки способности транзисторов усиливать сигнал часто используется статический коэффициент передачи тока h21э.
Далее, покопавшись в своих закромах, я обнаружил транзисторы, завернутые в пожелтевшие бумажки, на которых было написаны значения α (алфа) и β (бета), измеренные в далеких восьмидесятых на аналоговом лабораторном приборе.
В результате чтения литературы и интернет-изданий я отождествил в своем сознании современное h21э и близкое сердцу по молодости β («бета»). Если это не совсем корректно, то пусть меня поправят.

Cтал понятным сленговый термин «бетник», которым до сих пор отдельные разработчики называют прибор для измерения коэффициента усиления транзисторов по току.

С учетом того, что статья написана не для профессионалов, я сошлюсь на популярную советскую книжку Р. А. Свореня, где введено понятие коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером, которое можно рассчитывать в приращениях:

ΔIэ – приращение тока эмиттера,
ΔIб – приращение тока базы.
Тут же указано, что с допустимой погрешностью коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером можно определить, как:
β=Iэ/Iб, где Iэ – ток эмиттера, Iб – ток базы.

В результате измерений, проанализировав полученные числовые значения и графики, я думаю, что уяснил, в чём разница между бета в приращениях (βпр) и просто β.
Для вычисления beta в классике предлагается поддерживать постоянное напряжение Ukэ и, меняя напряжение на базе Uбэ, измерять токи базы Iб и эмиттера Iэ (для βпр – малые приращения этих токов). Собственно это и реализует описываемая ниже конструкция.

↑ Идея из Интернета

Я изучил много вариантов в Сети. Понравилась статья из «РадиоГазеты», в которой автор писал, что представляемый им «бетник» позволяет измерять коэффициент передачи тока базы маломощных и мощных биполярных транзисторов «p-n-p» и «n-p-n» структуры путём измерения тока базы при фиксированном токе эмиттера.

Схема привлекла своей простотой и логичностью. Несколько забегая вперед, сообщу, что идея осталась неизменной, а вот реализация потребовала правок.

Но сначала рассмотрим, как устройство работает. Схема (рис.1) питается от стабилизированного источника питания 12 Вольт. Переключателем S3 выбирается тип испытуемого транзистора: в верхнем положении «n-p-n», в нижнем «p-n-p». При этом с испытуемым «n-p-n» транзистором образуется схема Дарлингтона, а с транзистором «p-n-p» схема Шикалаи.

Переключателями S1 и S2 к референсному выводу TL431 подключаются различные референсные резисторы. TL431 «стремится» установить на подключенном резисторе напряжение примерно 2,5 Вольта, открывая получившийся составной транзистор в нужной степени для обеспечения необходимого тока через референсный резистор, чем и устанавливается ток через подключенный последовательно с резистором испытуемый транзистор.

В основном ток через транзистор будет определяться омическим сопротивлением резистора и не будет зависеть от параметров испытуемого транзистора.

Подключая различные резисторы, мы автоматически устанавливаем фиксированные токи эмиттера любого подключенного транзистора. Испытуемые транзисторы при этом всегда находятся под одинаковым напряжением Uкэ, равным напряжению питания схемы (12,2 В стабилизированного напряжения) минус 2,5 Вольта, то есть под напряжением 9,7 Вольта.

Дело в шляпе! Осталось измерить ток базы и выполнить расчеты (например, в Excel).

↑ Недостатки исходного бетника

Однако приведённые выкладки столкнулись с жестокой реальностью. Как и все простые схемы, устройство потребовало трепетного отношения к деталям. При изготовлении первого образца печатной платы последовал провал, в результате чего плата отправилась в мусор.

Что произошло? В устройстве (по рекомендации автора схемы бетника) были применены переключатели П2К «из тумбочки». Автор схемы не привёл требований к параметрам цепи, подключаемой в цепь базы измеряемого транзистора. В цепь базы был включен прибор РВ7-22 в режиме миллиамперметра на пределе 0,2 мА. В итоге микросхеме TL431 не «удавалось» открыть Дарлингтон до нужного тока и напряжение на референсном резисторе заметно не достигало 2,5 Вольта.

В процессе опытов «с белыми мышами» пришло понимание, что внутреннее сопротивление прибора (шунта), подключаемого в цепь базы, должно быть минимальным, иначе цепь регулирования загрубляется.

После того, как в цепь базы был включен шунт 0,5 Ом (с параллельным включением милливольтметра), схема заработала, но падение напряжения на двух последовательно включенных переключателях П2К (S1и S2) было заметным.
Неприятно, что в разных положениях переключателей падение напряжения на контактах заметно различалось. Помимо этого падение напряжения на переключателях было нестабильным, то есть менялось от измерения к измерению.

Схема оказалась очень чувствительной к взаимному расположению TL431 и транзистора КТ3102 на плате. Справедливости ради следует сказать, что автор изготавливать печатную плату не советовал.

Кроме применения печатного способа монтажа, я невольно сделал ошибку: изначально расположил TL431 и транзистор КТ3102 на плате на расстоянии примерно 80 мм. Схема отказывалась выходить на 2,5 Вольта на референсных резисторах.

Вот тебе и «попроще», вот тебе и «понадежнее». Вся красота схемы померкла. В этот момент, можно было выбрать другую схему, но тут уж меня «заклинило».

↑ Доработанная схема бетника

Я сделал следующее:
• переразвёл плату, расположив TL431 и транзистор КТ3102 «впритык» и максимально увеличив ширину токоведущих проводников. Впоследствии этого оказалось недостаточно и пришлось на плату в отдельных местах положить несколько миллиметров припоя;
• применил галетные переключатели ПГК, каждый из которых имел по две галеты. Это позволило все контактные группы запараллелить, тем самым увеличив надежность переключения и снизив переходное сопротивление в месте контакта;
• отказался от последовательного включения переключателей в схеме подключения референсных резисторов. Просто поставил галетный переключатель ПГК с нужным количеством положений
• добавил предел измерения мощных транзисторов на токе эмиттера примерно 1 А.


Отдельной темой явилось определение набора значений токов, необходимых для обеспечения измерений применительно к транзисторам различной мощности. В результате размышлений и чтения справочников образовалась шкала, показанная в Таблице 1.

Мне кажется, что выбранных номиналов токов эмиттера достаточно для контроля всех типов транзисторов. С учетом того, что я поставил перед собой задачу измерения мощных транзисторов на токе примерно 1 А, пришлось установить более мощный по сравнению с исходной схемой блок питания, состоящий из трансформатора ТП115-К7 (2х6Вх1,7А), основного конденсатора фильтра суммарной емкостью 6000,0 uF, диодного моста на диодах 1N5822 и стабилизатора на микросхеме LD1084.
При этом «просадка» напряжения на входе схемы на пределе измерения 960 мА не превышает 0,3%, то есть транзисторы при всех измерениях оказываются под одинаковым напряжением Uк-э.

Узел питания смонтирован навесом на выводах элементов, закрепленных на установленном «вверх ногами» трансформаторе ТП115-К7 и радиаторе от компьютерного блока питания.

В исходной схеме при каждом значении тока включается свой референсный резистор. Я сделал иначе, у меня постоянно включен резистор 1,2 кОм (реально 1250 Ом), а параллельно ему на различных пределах измерения подключаются резисторы, определяющие ток эмиттера испытуемого транзистора.

Покопавшись в тумбочке, и, сходив в магазин, я решил не требовать от себя точных, «целых» значений токов. Впаял имеющиеся резисторы, измерил образовавшиеся сопротивления, рассчитал токи по закону Ома и нанес на переднюю панель. Получился ориентировочный набор значений. Почему ориентировочный? А потому, что напряжение на референсном резисторе чаще всего не составляет искомых 2,5 Вольт.
Вернее так: обычно на резисторе 2,48-2,49 Вольта, а вот в отдельных случаях это напряжение становится другим. Небольшие (в пределах 5%) отклонения напряжения на референсном резисторе я счел допустимым. С учетом того, что всю обработку экспериментов я делаю в Excel, мне это не обременительно.

Для измерения всех типов транзисторов я использую несколько шунтов, которые подключаю к внешним клеммам устройства и на которых измеряю падение напряжения в мили Вольтах. У меня три шунта: 1,0 Ом, 10 Ом и 100 Ом. Для маломощных транзисторов используется шунт 100 Ом, для транзисторов средней мощности 10 Ом и для мощных транзисторов 1,0 Ом. Естественно значения сопротивления шунтов могут быть иными, соответствующими возможностям ваших милливольтметров.

В ряде случаев, напряжение на референсном резисторе оказалось больше обычных 2,48…2,49 Вольта. Например, если вы видите напряжение на референсном резисторе 12 Вольт, это значит, что транзистор звонится накоротко. В моем опыте есть погибшая при измерениях микросхема TL431 (причину до конца мне установить не удалось) и с этого момента, я предпочитаю проверять, как «звонятся» транзисторы перед
измерениями.

Очевидно, что напряжение на референсном резисторе несёт важную информацию об испытуемом транзисторе и о корректности измерения. Я решил напряжение на референсном резисторе измерять инструментально и вывел на клеммы, установленные на передней панели. Таким образом, от идеи исходной схемы, где предполагалось, что токи задаются автоматически, я отказался. Теперь при любом исходе событий я вижу напряжение на известном мне активном сопротивлении, а, значит, могу точно рассчитать ток через транзистор.

↑ Конструкция

Эскиз варианта передней панели прибора представлен ниже.


Устройство смонтировано в корпусе компьютерного блока питания. Размещение элементов внутри корпуса показано на рис 4.

↑ Печатная плата

Печатная плата токозадающей части имеет следующий вид


Печатной платы в Sprint Layout у меня нет. Я привык все рисовать в Corel Draw. Но плата простая, я думаю, при желании отрисовать её в Спринте не представляется трудным. Размеры платы (рис. 5) равны 108х58 мм.



Еще раз обращаю внимание на то, что база транзистора соединена с катодом TL431 печатным проводником минимальной длины. Полезно положить в это место и по линиям прохождения токов на печатной плате слой припоя толщиной в несколько миллиметров, либо пропаять медным проводом.

Не смотря на рекомендации автора исходной схемы о применении транзистора Т1 с β=250, в окончательной версии моего устройства стоит КТ3102 с β=790. Промежуточный вариант с транзистором Т1 с β=450 работал менее устойчиво, в частности заметно влияло сопротивление шунта, включаемого в цепь базы измерительного транзистора.


На монтажном чертеже платы (рис. 7) обозначены отверстия, к которым подключаются провода от переключателя типа транзистора S1, контактные группы которого обозначены на схеме: верхний контакт каждой группы обозначен индексом «в», средний - «с», нижний - «н».
Отверстия для проводов от клемм, к которым подключается амперметр, обозначены «А1» и «А2».

Отверстия для проводов от клемм, к которым подключается вольтметр для измерения напряжения на референсном резисторе, обозначены «V1» и «V2».

Обозначения отверстий «Э», «К», «Б», «+» и «–« в пояснениях не нуждаются.

По периметру платы расположены отверстия, для подключения проводов от галетного переключателя S3. Видно, что отдельные резисторы образованы тремя или двумя резисторами, каждый мощностью 2 Вт.

↑ Методика использования прибора

Методика измерений проста.
1. Подключаем всё в соответствии с рис 2. Подсоединяем транзистор к проводам с «крокодилами». Мощные транзисторы устанавливаем на радиатор (у меня отдельный радиатор площадью около 350 см2). Транзисторы типа Toshiba 2SA1943 и 2SC5200 я опускал в чашку с водой так, чтобы вода не касалась выводов.
2. Устанавливаем переключатель S1 в соответствии с типом измеряемого транзистора.
3. Устанавливаем предел измерения с минимальным током эмиттера для данного транзистора.
4. Включаем питание прибора переключателем S4.
5. Кратковременно включив тумблер S2 «Измерение», регистрируем напряжение на референсном резисторе и ток базы (напряжение на шунте в милливольтах).
6. Последовательно выбирая пределы измерения (токи эмиттера) переключателем S3, измеряем ток базы и напряжение на референсном резисторе для каждого значения тока эмиттера испытуемого транзистора пока не достигнем максимально возможного тока для данного транзистора.
7. Заносим результаты измерений в таблицу Excel, выполняем вычисления и строим диаграммы.

Допустимы ли измерения мощных транзисторов не на радиаторе, а в чашке с водой? Из моего опыта измерений мне кажется, что, если выводы транзистора необходимо погрузить в воду (например, для корпусов П217, П210, КТ908 и др.), то так можно измерять транзисторы только на этапе предварительного отбора. Речь о воде из-под крана. Возможно, в дистиллированной воде высокой очистки, возникающие при измерении утечки, будут несущественными.

Обращаю отдельное внимание на осторожность при измерении маломощных транзисторов. Транзисторы греются и погибают при использовании значительных токов эмиттера. Так, транзистор КТ3102Г еще «терпит» при токе порядка 77 мА, но практически мгновенно погибает при токе 100 мА и напряжении Uкэ 9,7 Вольт. Признаком использования предельных режимов является то, что показания тока базы на приборе при измерении не останавливаются на месте, а «ползут» при прогреве кристалла.

↑ Результаты практических измерений

Ну, вот и финал моего повествования, его самая важная часть. Её величество практика, которая, как известно, является критерием истины.
«Исторически» я начал освоение устройства с измерений мощных транзисторов, но начать изложение результатов я хочу с измерений маломощных транзисторов, в частности транзистора КТ3102Г, который имел выдающийся коэффициент усиления. В силу недостаточности моего опыта он погиб, но дал результаты измерений, с помощью которых я постараюсь ответить на вопрос: чем «β в приращениях» отличается от «просто β» в одной точке?

Я построил зависимость тока эмиттера этого транзистора от тока базы при фиксированном напряжении Uкэ, графики β и β в приращениях.

При внимательном изучении верхнего графика можно сделать вывод о том, что мы имеем дело с S-образной кривой. График похож на траекторию взлетающего самолета. Начиная с точки пересечения осей координат, имеется небольшой криволинейный отрезок, обращенный выпуклостью вниз. Далее следует относительно прямолинейный отрезок, расположенный под углом к оси абсцисс. И завершает всё криволинейный участок, обращенный выпуклостью вверх.

Для ответа на поставленный в вопрос утрируем кривизну участков характеристики (рис. 9) и поставим на их границах две характерные точки (А и В).

Вычисляя β как отношение токов в одной точке, мы имеем дело с уравнением прямой, проходящей через начало координат. Практически вычисляем тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой, проходящей через ноль и через заданную точку на кривой.

В случае вычисления β в приращениях, речь идет о прямой, проходящей через две точки на кривой. Вычисляем тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой, не проходящей через начало координат. Если приращения малые, то мы имеем дело с касательной к кривой в данной точке. Понятно, что прямая, проходящая через точку и начало координат (прямая 1), и касательная в точке (прямая 3) не «обязаны» совпадать. Также понятно, что усилительные свойства транзистора характеризует именно β в приращениях - βпр, на рис. 9 это βа-в.

Однако измерять β в приращениях неудобно. Например, в схеме мультиметра реализовать это сложно. Вот и пользуются просто β.
Почему это возможно? Потому, что начальный участок обсуждаемой кривой для реального транзистора более плоский (Рис 8) и проекция линейного участка характеристики почти попадает в начало координат. В результате β и βпр отличаются незначительно. Собственно это и показывают приведенные графики. Всплеск кривой β в приращениях на начальном участке я связываю с погрешностями при измерениях довольно малых величин.

Для себя же я сделал вывод, что буду пользоваться при подборе транзисторов в пары зависимостью Iэ от Iб. На характеристике видно, с какого момента линия начинает «загибаться» к горизонту. На мой взгляд, это может служить основанием для выбора наиболее линейного участка работы транзистора.

Далее исследуем пару из КТ602 и КТ908. Эту пару транзисторов, например, использует в своих схемах Игорь Семынин. Ниже результаты измерения четырёх транзисторов КТ602Б.

Отметим линейную форму характеристики до токов эмиттера порядка 50 мА.
Ниже на рис. 11 показаны результаты измерения транзисторов КТ908А. Транзисторы N20, N15, N10, N40 из лучшей (с точки зрения β) четверки. Транзисторы N12 и N17 из худшей пары.
В сухом остатке из партии в 25 штук удалось подобрать: четверку с β≈65; пять пар с β от 55 до 25.

↑ Лирическое отступление и интерпретация результатов

При реализации известной схемы усилителя для наушников И. Семынина я воспользовался рекомендацией интернета: использовать пару Дарлингтона на КТ602Б + КТ908А с суммарной β в пределах 3500-4000. И поставил КТ602Б с β≈70, и КТ908А с β≈50.
При этом для выходного транзистора был установлен ток эмиттера 330 мА. Ток покоя эмиттера КТ602Б составил при этом примерно 6,6 мА. Глядя на графики, можно понять, что таким образом я установил режим входного транзистора в зоне довольно близкой к началу координат.

И становится понятной рекомендация Семынина поставить транзисторы КТ602Б с β≈110, и КТ908А с β≈30. В этом случае ток эмиттера КТ602Б составил бы 11 мА и транзистор работал на более линейном участке. Играет мой усилитель замечательно, но после измерений гложет желание поставить более «правильные транзисторы».

«На сладкое» результаты измерения «народных» транзисторов фирмы Toshiba 2SA1943 и 2SC5200.

Транзисторы 2SA1943 собрались в три пары N01-N02, N03-N04, N05-N06 с погрешностью менее 10% (рис. 12).


Транзисторы 2SC5200 «разбежались» больше (рис. 13). Вместе с тем, в парах N01-N05 и N02-N06 различия β укладываются примерно в 10%. Очень хорошей парой являются транзисторы N05-N06. Транзисторы N05 и N06 настолько близки, что на верхнем графике (рис. 13) характеристики почти совместились.

Транзисторы 2SA1943 N05-N06 и транзисторы 2SC5200 N05-N06, на мой взгляд, можно попробовать поставить в параллельный повторитель «Zarathustra» от Дмитрия Киреева (deemon).
Из графиков очевидно, что транзисторы Toshiba 2SC5200 и КТ908А сравнимы по линейности.

А, как же германий, спросите вы? Ну вот, пожалуйста, краткий анонс будущего исследования германиевых транзисторов. Пока транзисторы с низкой граничной частотой.
На рис. 14 показаны результаты измерений четырех транзисторов П217.


На рис. 15 показаны результаты измерений четырех транзисторов П215.


На рис. 16 показаны результаты измерений 4 транзисторов П210В.

↑ Итоги

1. Схема бетника из «Радиогазеты», на мой взгляд, работоспособна не во всех ситуациях и не во всех комплектациях.

2. После доработки устройство позволяет измерять коэффициент усиления по току в схеме общим эмиттером для биполярных маломощных транзисторов, транзисторов средней и большой мощности структуры «p-n-p» и «n-p-n».

3. Опыт применения устройства показывает, что измерения осуществляются с высокой производительностью. Основное время уходит на монтаж и демонтаж транзистора на радиатор. За час реально измерить 10-20 транзисторов.

4. Результаты измерений позволяют рассчитывать коэффициент усиления по току, как в отдельных точках, так и в приращениях, а также ориентироваться при выборе тока покоя транзисторов.

5. Оборотной стороной простоты схемы является отсутствие защиты. При подключении «p-n-p» транзистора с закороченным «К-Э» переходом я дважды сжег TL431. Транзисторы (особенно б/у) нужно предварительно звонить.

↑ Ссылки

1. Книга - Р. Сворень, «Транзисторы. Шаг за шагом», 1971 г., стр. 201
2. Исходная статья про неудачный Бетник из Радиогазеты
3. Статья И. Семынина про усилитель для наушников
4. Усилитель «Заратустра» на Веге

↑ Файлы

🎁datagor.ru-bettnik.7z  413.3 Kb ⇣ 109

Удачных вам измерений!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации