Измерение параметров полевых транзисторов

Проверка биполярного транзистора мультиметром

Проверку работоспособности биполярного транзистора можно выполнить с помощью цифрового мультиметра. Этим прибором проводятся измерения постоянных и переменных токов, а также напряжение и сопротивление. Перед началом измерений прибор нужно правильно настроить. Это позволит более эффективно решить проблему, как проверить биполярный транзистор мультиметром не выпаивая.

Современные мультиметры могут работать в специальном режиме измерения, поэтому на корпусе изображается значок диода. Когда решается вопрос, как проверить биполярный транзистор тестером, устройство переключается в режим проверки полупроводников, а на дисплее должна отображаться единица. Выводы устройства подключаются так же, как и в режиме измерения сопротивления. Провод черного цвета соединяется с портом СОМ, а провод красного цвета – с выходом, измеряющим сопротивление, напряжение и частоту.

В мультиметрах старой конструкции функция проверки диодов и транзисторов может отсутствовать. В таких случаях все действия проводятся в режиме измерения сопротивления, установленном на максимум. До начала работы батарея мультиметра должна быть заряжена. Кроме того, нужно проверить исправность щупов. Для этого их кончики соединяются между собой. Писк устройства и нули, отображенные на дисплее, свидетельствуют об исправности щупов.

Проверка биполярного транзистора мультиметром выполняется в следующем порядке:

• Прежде всего, нужно правильно соединить выводы мультиметра и транзистора. Для этого необходимо точно определить, где находятся база, коллектор и эмиттер. Чтобы определить базу, щуп черного цвета подключается к первому электроду, который предположительно считается базовым. Другой щуп красного цвета поочередно подключается вначале ко второму, а затем к третьему электроду. Щупы меняются местами до тех пор, пока прибор не определит падение напряжения. После этого окончательно проводится проверка биполярного транзистора мультиметром и определяются пары: «база-эмиттер» или «база-коллектор». Электроды эмиттера и коллектора определяются с помощью цифрового мультиметра. В большинстве случаев падение напряжения и сопротивление у эмиттерного перехода выше, чем у коллектора.
• Определение р-п-перехода «база-коллектор»: щуп красного цвета подключен к базе, а черный – к коллектору. Такое соединение работает в режиме диода и пропускает ток лишь в одном направлении.
• Определение р-п-перехода «база-эмиттер»: красный щуп остается подключенным к базе, а щуп черного цвета нужно подключить к эмиттеру. Так же, как и в предыдущем случае, при таком соединении ток проходит только при прямом включении. Это подтверждает проверка npn транзистора мультиметром
• Определение р-п-перехода «эмиттер-коллектор»: в случае исправности данного перехода сопротивление на этом участке будет стремиться к бесконечности. На это указывает единица, отображенная на дисплее.
• Подключение мультиметра осуществляется к каждой паре контактов в двух направлениях. То есть транзисторы р-п-р типа проверяются путем обратного подключения к щупам. В этом случае к базе подключается черный щуп. После измерений полученные результаты сравниваются между собой.
• После того как проведена проверка pnp транзистора мультиметром, работоспособность биполярного транзистора подтверждается, когда при измерении одной полярности мультиметр показывает конечное сопротивление, а при замерах обратной полярности получается единица. Данная проверка не требует выпаивания детали из общей платы.

Очень многие пытаются решить вопрос, как проверить транзистор без мультиметра с помощью лампочек и других устройств. Этого делать не рекомендуется, поскольку элемент с высокой вероятностью может выйти из строя.

Схема имени меня, Шиклаи и Дарлингтона.

Для объединения вышеприведённых схем в одну добавим немного коммутирующих элементов, источник питания и для большей универсальности расширим диапазон эмиттерных токов. В результате получилась вот такая схема прибора для проверки транзисторов:

Увеличение по клику

При указанных на схеме номиналах расчетный ток эмиттера обеспечивается уже при +4В питающего напряжения, так что это действительно генератор стабильного тока. Ради эксперимента я пару раз подключал транзисторы не той структуры. Ничего не сгорело! Хотя может быть стоило ток побольше задать?  Скажу честно, испытаний на выносливость этого прибора проведено мало, время покажет, но начало мне нравится.

В принципе, питать прибор можно даже от нестабилизированного источника, так как стабилизация тока в схеме осуществляется в очень широком диапазоне питающих напряжений. Но! Бывают транзисторы (особенно отечественные), у которых коэффициент передачи тока базы сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Чтобы устранить погрешности измерений из-за нестабильной сети, в схеме предусмотрен стабилизированный источник питания. Кстати, именно из-за таких «кривых» транзисторов следует проводить измерения минимум при трёх разных значения тока.

Итак, схема прибора для проверки транзисторов получилась очень простой, что позволяет без проблем собрать этот прибор самостоятельно, своими руками. Прибор 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.

Для маломощных биполярных транзисторов выбраны значения тока эмиттера: 2мА, 5мА, 10мА.
Для мощных биполярных транзисторов измерения проводятся при токах эмиттера: 50мА, 100мА, 500мА.
Ни кто не запрещает проверять транзисторы средней мощности при токах 10мА, 50мА, 100мА. В общем, вариантов масса.
Значения эмиттерных токов можно изменить на своё усмотрение путём пересчёта соответствующего токозадающего резистора по формуле:

R= Uо/Iэ ,

где Uо — опорное напряжение TL431  (2,5В), Iэ — требуемый ток эмиттера испытуемого транзистора.

ВНИМАНИЕ: В природе встречаются микросхемы TL431 с опорным напряжением 1,2В (не помню как отличается маркировка). В этом случае значения всех токозадающих резисторов, указанных на схеме, необходимо пересчитать!

Проверка работоспособности полевого транзистора

Этот тип полупроводниковых элементов также называют mosfet и моп компонентами. На рисунке 4 показано графическое обозначение n- и p-канальных полевиков в принципиальных схемах.

Рис 4. Полевые транзисторы (N- и P-канальный)

Для проверки этих устройств подключаем щупы к мультиметру, таким же образом, как и при тестировании биполярных полупроводников, и устанавливаем тип тестирования «прозвонка». Далее действуем по следующему алгоритму (для n-канального элемента):

1. Касаемся черным проводом ножки «с», а красным – вывода «и». Отобразится сопротивление на встроенном диоде, запоминаем показание.
2. Теперь необходимо «открыть» переход (получится только частично), для этого щуп с красным проводом соединяем с выводом «з».
3. Повторяем измерение, проведенное в п. 1, показание изменится в меньшую сторону, что говорит о частичном «открытии» полевика.
4. Теперь необходимо «закрыть» компонент, с этой целью соединяем отрицательный щуп (провод черного цвета) с ножкой «з».
5. Повторяем действия п. 1, отобразится исходное значение, следовательно, произошло «закрытие», что говорит об исправности компонента.

Для тестирования элементов p-канального типа последовательность действий остается той же, за исключением полярности щупов, ее нужно поменять на противоположную.

Заметим, что биполярные элементы, у которых изолированный затвор (IGBT), тестируются также, как описано выше. На рисунке 5 показан компонент SC12850, относящийся к этому классу.

Рис 5. IGBT транзистор SC12850

Для тестирования необходимо выполнить те же действия, что и для полевого полупроводникового элемента, с учетом, что сток и исток последнего будут соответствовать коллектору и эмиттеру.

В некоторых случаях потенциала на щупах мультиметра может быть недостаточно (например, чтобы «открыть» мощный силовой транзистор), в такой ситуации понадобится дополнительное питание (хватит 12 вольт). Подключать его нужно через сопротивление 1500-2000 Ом.

Проверка полевого MOSFET транзистора цифровым мультиметром

Для примера возьмем полевой МОП-транзистор с каналом n-типа IRF 640. Условно-графическое обозначение такого транзистора и его цоколевку вы видите на следующем рисунке.

Перед началом проверки транзистора замкните все его выводы между собой, что бы снять возможный заряд с транзистора.

Проверка встроенного диода

Для начал следует подготовить мультимер и перевести его в режим проверки диодов. Для этого переключатель режимов/пределов установите в положение с изображением диода.

В этом режиме мультиметр при подключении диода в прямом направлении (плюс прибора на анод, минус прибора на катод) показывает падение напряжения на p-n переходе диода. При включении диода в обратном направлении мультиметр показывает «1».

Итак, подключаем щупы мультиметра, как было сказано выше, в прямом включении диода. Таким образом, красный шум (+) подключаем на исток, а черный (-) на сток.

Мультиметр должен показать падение напряжение на переходе порядка 0,5-0,7.

Меняем полярность подключения встроенного диода, при этом мультиметр, при исправности диода покажет «1».

Проверка работы полевого МОП транзистора

Проверяемый нами МОП-транзистор имеет канал n-типа, поэтому, что бы канал стал электропроводен необходимо на затвор транзистора относительно истока либо стока подать положительный потенциал. При этом электроны из подложки переместятся в канал, а дырки будут вытолкнуты из канала. В результате канал между истоком и стоком станет электропроводен и через транзистор потечет ток.

Для открытия транзистора будет достаточно напряжения на щупах мультиметра в режиме прозвонки диодов.

Поэтому черный (отрицательный) щуп мультиметра подключаем на исток (или сток), а красным касаемся затвора.

Если транзистор исправен, то канал исток-сток станет электропроводным, то есть транзистор откроется.

Теперь если прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет какое-то значение падение напряжения на канале, в виду того, что через транзистор потечет ток.

Таким образом черный щуп транзистора ставим на исток, а красный на сток и мультиметр покажет падение напряжение на канале.

Если поменять полярность щупов, то показания мультиметра будут примерно одинаковыми.

Что бы закрыть транзистор достаточно относительно истока на затвор подать отрицательный потенциал.

Следовательно, подключаем положительный (красный) щуп мультиметра на исток, а черным касаемся затвор.

При этом исправный транзистор закроется. И если после этого прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет лишь падение напряжения на встроенном диоде.

Если транзистор управляется напряжением с мультиметра (то есть открывается и закрывается), значит можно сделать вывод, что транзистор исправен.

Проверка полевого МОП – транзистора с каналом p-типа осуществляется подобным образом. За тем исключением, что во всех пунктах проверки полярность подключения щупов меняется на противоположную.

Более подробно и просто всю методику проверки полевого транзистора я изложил в следующем видеоуроке:

Проверка составного транзистора

Такой полупроводниковый элемент еще называют «транзистор Дарлингтона», по сути это два элемента, собранные в одном корпусе. Для примера, на рисунке 6 показан фрагмент спецификации к КТ827А, где отображена эквивалентная схема его устройства.

Рис 6. Эквивалентная схема транзистора КТ827А

Проверить такой элемент мультиметром не получится, потребуется сделать простейший пробник, его схема показана на рисунке 7.

Рис. 7. Схема для проверки составного транзистора

Обозначение:

• Т – тестируемый элемент, в нашем случае КТ827А.
• Л – лампочка.
• R – резистор, его номинал рассчитываем по формуле h21Э*U/I, то есть, умножаем величину входящего напряжения на минимальное значение коэффициента усиления (для КТ827A — 750), полученный результат делим на ток нагрузки. Допустим, мы используем лампочку от габаритных огней автомобиля мощностью 5 Вт, ток нагрузки составит 0,42 А (5/12). Следовательно, нам понадобится резистор на 21 кОм (750*12/0,42).

Тестирование производится следующим образом:

1. Подключаем к базе плюс от источника, в результате должна засветиться лампочка.
2. Подаем минус – лампочка гаснет.

Такой результат говорит о работоспособности радиодетали, при других результатах потребуется замена.

Подготовка инструментов

У каждого современного радиолюбителя есть универсальный инструмент под названием цифровой мультиметр. Он позволяет измерять постоянные и переменные токи и напряжение, сопротивление элементов. Он также позволяет проверить работоспособность элементов схемы. Рядом с переключателем в режим «прозвонки», как правило, нарисован диод и динамик (см. фото на рис. 1).

Рисунок 1 – Лицевая панель мультиметра

Перед проверкой элемента необходимо убедиться в работоспособности самого мультиметра:

1. Батарея должна быть заряжена.
2. При переключении в режим проверки полупроводников дисплей должен отображать цифру 1.
3. Щупы должны быть исправны, т. к. большинство приборов – китайские, и разрыв провода в них является очень частым явлением. Проверить их нужно, прислонив кончики щупов друг к другу: в этом случае на дисплее отобразятся нули и раздастся писк – прибор и щупы исправны.
4. Щупы подключаются согласно цветовой маркировке: красный щуп — в красный разъем, черный – в черный разъем с надписью COM.

Если Вы не знаете, как использовать данный прибор, рекомендуем прочитать подробную инструкцию для чайников о том, как пользоваться мультиметром!

Если ноги плохо пахнут, вспомните, откуда они растут.

Немного погуглив, я нашёл схему прибора для проверки транзисторов, которая растиражирована на довольно приличном количестве сайтов. Простая, портативная… но кроме самого автора её никто не хвалит. Это должно было смутить сразу, но увы.

Итак, исходная схема (с немного упрощенной индикацией и коммутацией):

Увеличение по клику

По замыслу автора здесь операционный усилитель совместно с испытуемым транзистором образуют источник стабильного тока. Ток эмиттера в этой схеме постоянный и определяется величиной эмиттерного резистора. Зная этот ток, нам остаётся только измерить ток базы, а затем путём деления одного на другое получить значение h21э. (в авторском варианте шкала измерительной головки сразу градуировалась в значениях h21э).

Два биполярных транзистора на выходе ОУ служат для увеличения нагрузочной способности микросхемы при измерении на больших токах. Диодный мост включён для того, чтобы исключить необходимость перекоммутации амперметра при переключении с «p-n-p» на «n-p-n» транзисторы. Для повышения точности подбора комплементарных пар биполярных транзисторов требуется отобрать стабилитроны (задающие опорное напряжение) с максимально близкими напряжениями стабилизации.

Меня как-то сразу смутило «не совсем корректное» включение операционного усилителя при однополярном питании. Но макетная плата всё стерпит, поэтому схема была собрана и опробована.

Сразу выявились недостатки. Ток через транзистор сильно зависел от напряжения питания, что ни разу не напоминает генератор стабильного тока. Что там умудрился подбирать автор схемы, питая при этом прибор от аккумулятора, остаётся большой загадкой. По мере разряда аккумулятора «образцовый» ток будет уплывать и довольно заметно. Потом пришлось повозиться в «умощнителем» на выходе ОУ иначе схема неустойчиво работала при измерении транзисторов разной мощности. Потребовалось подобрать значение резистора, а потом я перешёл на более «классический» вариант умощнителя. А двухполярное (правильное) питание ОУ решило проблему с плавающим током.

В итоге схема приобрела вид:

Увеличение по клику

Но тут выявился ещё один недостаток – если вы перепутаете проводимость биполярного транзистора (включите на приборе «p-n-p», а подключите транзистор «n-p-n»), а при подборе из большого количества транзисторов вы точно рано или поздно забудете переключить прибор, то выходит из строя один из транзисторов «умощнителя» и придётся заниматься ремонтом прибора. Да и к чему нам сложности с двухполярным питанием, операционник, умощнитель и прочее?

Конструкция и детали.

Из-за простоты устройства печатная плата не разрабатывалась, все элементы распаиваются на выводах переключателей и разъёмов. Всю конструкцию можно собрать в корпусе небольшого размера, всё будет зависеть от габаритов применённого трансформатора и переключателей.

При испытании мощных биполярных транзисторов на больших токах (100мА и 500мА) их необходимо закрепить на радиаторе! Если пластинчатый радиатор смонтировать на одной из стенок прибора или сам радиатор использовать в качестве стенки прибора, то это сделает пользование устройством более удобным. Радиатор, который всегда с собой! Это существенно ускорит процесс испытания мощных транзисторов в корпусах ТО220, ТО126, ТОР3, ТО247 и аналогичных.

Микросхему стабилизатора блока питания также необходимо установить на небольшой радиатор. Диодный мост подойдёт любой на ток 1А и выше. В качестве трансформатора можно использовать подходящий малогабаритный, мощностью от 10Вт с напряжением вторичной обмотки 10-14В.

Опционально: в приборе для проверки транзисторов предусмотрены гнёзда для подключения второго мультиметра (включенного в режим измерения постоянного напряжения на предел 2-3В). Подсмотрел эту идею на одном из форумов. Это позволяет измерить Uбэ транзистора (при необходимости вычислить крутизну). Данная функция очень удобна при подборе биполярных транзисторов одной структуры для ПАРАЛЛЕЛЬНОГО включения в одном плече выходного каскада усилителя. Если при одном и том же токе напряжения Uэб отличаются не более чем на 60мВ, то такие транзисторы можно включать параллельно БЕЗ эмиттерных токовыравнивающих резисторов. Теперь вы понимаете, почему усилители фирмы Accuphase, где в выходном каскаде в каждом плече включено параллельно до 16 транзисторов, стоят таких денег?

Перечень используемых элементов:

Резисторы:
R3 — 820 Ом, 0,25Вт,
R4 — 1к2, 0,25Вт,
R5 — 510 Ом, 0,25 Вт,
R6 — 260 Ом, 0,25Вт
R7 — 5,1 Ом, 5Вт (лучше больше),
R8 — 26 Ом, 1 Вт,
R9 — 51 Ом, 0,5Вт,
R10 — 1к8, 0,25 Вт.

Конденсаторы:

С1 — 100nF, 63V,
C2 — 1000uF, 35V,
C3 — 470uF, 25V

Коммутация:

S1 — переключатель типа П2К или галетный на три положения с двумя группами контактов на замыкание,
S2 — переключатель типа П2К, тумблер или галетный с одной группой контактов на переключение,
S3 — переключатель типа П2К или галетный на два положения с четырьмя группами контактов на переключение,
S4 — кнопка без фиксации,
S5 — сетевой выключатель

Активные элементы:

T3 — транзистор типа КТ3102 или любой маломощный n-p-n типа с высоким коэффициентом усиления,
D3 — TL431,
VR1 — интегральный стабилизатор 7812 (КР142ЕН8Б),
LED1 — светодиод зелёного цвета,
BR1 — диодный мост на ток 1А.

Разное:

Tr1 — трансформатор мощностью от 10Вт, с напряжением вторичной обмотки 10-14В,
F1 — предохранитель на 100mA…250mA,
клеммы (подходящие доступные) для подключения измерительных приборов и испытуемого транзистора.

Общий алгоритм проверки

Как проверить транзистор мультиметром? В общем и целом алгоритм выглядит так:

1. подключите щупы мультиметра стандартным образом — черный к порту COM, красный — к порту, возле которого стоят буквы Ω, V и , возможно другие (зависит от модели);
2. установите прибор в режим максимального сопротивления — как правило, это 2000 Ом, либо в режим «прозвонка»;
3. удостоверьтесь, что батарея заряжена, изоляция проводов щупов не нарушена, а мультиметр исправен. Для этого в режиме прозвонки нужно соединить между собой контакты обоих щупов — писк мультиметра и единица на экране, означающая сопротивление, которое выше предела измерения, будут означать, что прибор работает корректно.

Дальнейшие действия по проверке будут зависеть от того, какого типа элемент требуется проверить. В основном в электронике применяются полупроводниковые элементы двух видов — биполярный и полевой.

Особенности устройства

По своим конструктивным особенностям все транзисторы бывают:

• Биполярными (БТ);
• Полевыми или униполярными (ПТ);
• Составными (СТ).

Перед тем как приступить к проверке целостности детали цифровым мультиметром важно понять, что из себя представляет БТ. Это – трехслойный полупроводник

Грубо говоря, это 2 диода, соединенные между собой. Изображая его таким образом, будет легче понять схему его проверки на самой плате без выпайки.

По проводимости, биполярные полупроводники бывают двух видов:

• n-p-n;
• p-n-p;

Их также легче всего представить в виде диодов, фотографии которых часто размещают, чтобы пояснить важность понимания структуры и принципа его действия. Ток на выходе возникает при участии дырок и электронов – двух разнополярных носителей, позволяющих им управлять.

Контакты, задействованные в полупроводнике, называют:

• базой;
• эмиттером;
• коллектором.

К базе подключается средний слой. К эмиттеру и коллектору – крайние. Направление тока маркируют стрелкой. Она расположена возле эмиттера.

В ПТ электрическое поле направлено перпендикулярно текущему току. Их контакты называются так:

• затвор;
• сток;
• исток.

Также в их конструкции есть дополнительный (проводящий слой) для протекания по нему электротока.

ПТ бывают в различных модификациях. С «п» или «р» каналами, горизонтальным и вертикальным расположением, приповерхностной и объемной конфигурацией.

Определение вывода базы (затвора)

Наиболее простой способ определить назначение выводов транзистора (цоколевку) — скачать на него документацию. Поиск ведется по маркировке на корпусе. Этот буквенно-цифровой код набирают в строке поиска и далее добавляют «даташит».

Если документацию обнаружить не удается, базу и прочие выводы биполярного транзистора распознают исходя из его особенностей:

• p-n-p транзистор: открывается приложением к базе отрицательного напряжения;
• n-p-n транзистор: открывается приложением к базе положительного напряжения.

Действуют так:

1. Настраивают мультиметр: красный щуп подсоединяют к разъему со значком «V/Ω» (плюсовой потенциал), черный — к разъему COM (минусовой потенциал), а  переключатель устанавливают в режим «прозвонка» или, если такого нет, в сектор измерения сопротивления (значок «Ω») на верхнюю позицию (обычно «2000 Ом»).
2. Определяют базу. Красный щуп подсоединяют к первому выводу транзистора, черный — поочередно к остальным. Затем красный подсоединяют ко второму выводу, черный снова по очереди к 1-му и 3-му. Признак того, что красный подсоединен к базе, — одинаковое поведение прибора при контакте черного щупа с другими выводами. Прибор оба раза пискнул или показал на дисплее некое конечное сопротивление — транзистор относится к n-p-n типу; прибор оба раза промолчал или отобразил на дисплее «1» (отсутствие проводимости) – транзистор принадлежит p-n-p типу.
3. Распознают коллектор и эмиттер. Для этого к базе подсоединяют щуп, соответствующий типу проводимости: для n-p-n транзистора – красный, для p-n-p транзистора: черный.

Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и канлом n-типа а) с затвором со стороны подложки; b) с диффузионным затвором

Второй щуп поочередно подсоединяют к другим выводам. При контакте с коллектором на дисплее отображается меньшее значение сопротивления, чем с эмиттером.

Выводы полевого транзистора обычно промаркированы:

• G: затвор;
• S: исток;
• D: сток.

Если маркировки нет, затвор обнаруживают по той же схеме, что и у биполярного транзистора.

Полевые транзисторы чувствительны к статическому электричеству. Из-за этого их выводы при хранении закорачивают фольгой, а перед началом манипуляций надевают антистатический браслет или хотя бы касаются заземленного металлического предмета (приборный шкаф), чтобы снять статический заряд.