Un tracciacurve didattico per transistor, diodi e amplificatori operazionali

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"Si è scelto il modulo di acquisizione NI-USB 6251 per la sua connessione al campo di misura realizzata via cavo, alla stessa stregua di una scheda DAQ standard (come ad esempio la serie E di National Instruments), ma dotata di supporto USB e dunque di una grande flessibilità applicativa."

- R. De Asmundis, ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

The Challenge:
Realizzare uno strumento didattico atto a misurare, in maniera interattiva, accattivante e divertente le curve di risposta voltamperometrica di transistor, diodi ed amplificatori operazionali. Lo strumento ha lo scopo di sostituire parte della lezione teorica sulla polarizzazione di tali elementi e sulla misura delle curve caratteristiche.

The Solution:
La breadboard SC 2075 viene utilizzata per accogliere i componenti di cui si vuole misurare la curva caratteristica, unitamente ad alcuni elementi di appoggio montati in maniera permanente sulla stessa scheda. Si è scelto il modulo di acquisizione NI-USB 6251 per la sua connessione al campo di misura realizzata via cavo, alla stessa stregua di una scheda DAQ standard (come ad esempio la serie E di National Instruments), ma dotata di supporto USB e dunque di una grande flessibilità applicativa.

Author(s):
R. De Asmundis - ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Breve riassunto
Per il tracciamento di curve caratteristiche di un transistor, lo stesso viene inserito in una circuito a polarizzazione fissa, alimentando la base ed il collettore con le uscite dei DAC presenti sulla scheda USB 6251 attraverso opportune resistenze. Contestualmente si leggono le cadute di tensione su tali resistenze, effettuando tutti i calcoli necessari ad ottenere la Vce (tensione collettore-emettitore), la Ic (corrente di collettore) e la Vbe (tensione base emettitore); da questi parametri si ottengono e visualizzano anche la potenza dissipata sul circuito di collettore e il guadagno istantaneo del transistor. La prova viene effettuata a diversi valori fissati di corrente di base.
Similmente si procede per la misura della caratteristica dei diodi, inserendo questi semplicemente sul circuito di collettore. La misura dell’amplificatore operazionale, invece, la si effettua parassitando le due tensioni prodotte dai DAC ed utilizzandole come V+ e V- in ingresso all’operazionale campione.

Articolo

Introduzione
L’esposizione delle curve caratteristiche dei componenti elettronici è fortemente appesantita dal tipico “distacco” esistente nelle aule universitarie tra gli aspetti teorici dell’argomento in questione e i loro riscontri pratici. Risulta infatti sempre piuttosto difficile per gli studenti passare dalle aule in laboratorio ove viene loro richiesto di applicare le conoscenze teoriche sino a quel momento apprese, realizzando fisicamente dei circuiti a transistor o con amplificatori operazionali.
Questo progetto vuole essere un supporto pratico molto costruttivo per superare il distacco testé indicato, mostrando ai ragazzi, sin dal primo momento di apprendimento, che sono proprio i componenti a “disegnare” le loro stesse curve caratteristiche e non noi “utenti” ad averle introdotte per puri scopi modellistici sui componenti.

Il circuito
Fatta questa premessa, il circuito oggetto di questo articolo ha il vantaggio di utilizzare direttamente quanto viene insegnato relativamente alla modalità di polarizzazione più semplice per un transistor (la polarizzazione fissa) facendo vedere che con essa è già possibile ottenere tutte le misure necessarie a tracciare le caratteristiche di uscita nel diagramma Ic - Vce a correnti di base fissate.
Il circuito della breadboard è configurato per accogliere solo transistor NPN, permettendo eventualmente, con piccole modificazioni, l’inserzione anche di transistor PNP previa inversione di polarità nelle alimentazioni e nel circuito di collettore. In una posizione predefinita viene posto il componente sotto misura, che sia esso un transistor o un diodo.
Un amplificatore operazionale inoltre è montato in permanenza e privo di controreazione: esso parassita le tensioni di uscita dei due DAC della sheda USB 6251 utilizzandole come V+ e V- in ingresso. L’uscita viene letta da un ulteriore canale ADC e la curva Vout in funzione della differenza V+ - V- è tracciata in tempo reale.
La figura 1 riporta il circuito semplificato realizzato per la misura della curva dei transistor: le due tensioni riportate sugli indicatori dei due generatori variabili sono quelle in uscita dei DAC. I loro valori possono essere variati a mano mediante appositi controlli o in automatico durante l’effettuazione del test. I valori delle resistenze di base e di collettore infine possono essere settati nei controlli indicati qualora le stesse resistenze dovessero venir cambiate. Nel caso della misura di diodi occorre porre lo stesso in luogo del transistor tra collettore ed emettitore, con il catodo rivolto verso la massa. Così dimensionato il circuito, i componenti sotto test non arrivano in nessun caso a dissipare più di 200 mW circa, mettendoli dunque al riparo da eventuali danni derivanti da applicazioni di tensioni anche fino ai massimi valori consentiti di 10 V. Per far fronte alla richiesta notevole di corrente del circuito di collettore, è stata inoltre introdotta una pompa di corrente realizzata con un operazionale SN72741 ed un transistor 2N2369, secondo lo schema della figura 2.

Le misure
In Figura 3 si vede un esempio di misura delle curve caratteristiche di un transistor tipo PN-2222A: per questa misura la corrente di base è stata limitata a 360 uA, mentre la tensione di collettore è stata portata sino al massimo di 10 V possibili per l’uscita del DAC. Il grafico X-Y è configurato per generare una nuova curva ad ogni passo di corrente di base applicata e la stessa, misurata sul circuito di base, viene poi utilizzata come nome del plot, così come si evince nella legenda del grafico stesso.
In Figura 4 è riportato il solo grafico X-Y ottenuto dalla misura della caratteristica di un diodo: la tensione applicata (che determina la corrente del diodo riportata in ordinata) è controllata in questo caso a mano dal controllo indicato come Vcc / V+.
La modalità di gestione del grafico avviene a mezzo di un apposito VI che, per restare nel gergo dell’elettronica, può essere definto un “sample and hold”: ogni volta che un nuovo valore di X o di Y viene ricevuto dal VI, una nuova coppia X-Y viene accodata negli array del cluster costituente la curva graficata. Viene così realizzato un grafico “con memoria”, azzerabile a mano (col tasto “CANCELLA”) o in automatico all’avvio di un nuovo test.
Nel caso del test per l’amplificatore operazionale, un secondo SN72741 è utilizzato a loop aperto, ricevendo in ingresso le due tensioni dei DAC, esattamente le stesse inviate al circuito di base e di emettitore della misura del transistor. La tensione d’uscita dell’operazionale viene graficata in funzione della differenza tra l’ingresso non invertente e l’ingresso invertente V+ - V-, ottenendo lo scatto rapido da uno stato all’altro attorno allo 0, tipico del funzionamento dell’operazionale a loop aperto. La figura 5 riporta il grafico ottenuto: da notare che, con la risoluzione possibile nell’invio della tensione sui DAC, non si riesce a descrivere alcun punto nel piccolissimo intervallo di inversione dell’uscita, laddove l’operazionale lavora in regime lineare.

Il diagramma
Vale la pena di spendere due p arole sul diagramma, caratterizzato da una macchina a stati che gestisce sia l’applicazione manuale dei valori voluti delle tensioni di collettore e di base, sia lo svolgimento della misura in automatico. Accanto a questa una event structure provvede alla gestione delle richieste da parte dell’utente di visualizzazione o cancellazione di parti del front panel, azioni queste utili durante la descrizione didattica dell’applicazione. La figura 6 riporta il diagramma adottato: il “case” della macchina a stati indica, in questa figura, lo svolgimento automatico della misura delle caratteristiche e l’editor dello State Diagram riporta il semplice diagramma implementato per la macchina.

Conclusioni
Con questo strumento didattico la descrizione delle curve caratteristiche di componenti standard quali transistor bipolari, diodi, o di circuiti più complessi come un amplificatore operazionale, diventa parte integrante dell’attività di laboratorio, permettendo così agli studenti una comprensione da subito molto più pratica e materiale dell’argomento.

Author Information:
R. De Asmundis
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Riccardo.deasmundis@na.infn.it

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