Circuito traçador de curva simples: traçando a curva para resistor, diodo e transistor

A maioria dos eletrônicos lida com curvas de rastreamento, seja a curva de transferência característica para um loop de feedback, a linha reta VI de um resistor ou a curva de tensão versus corrente do coletor de um transistor.

Essas curvas nos dão uma compreensão intuitiva de como um dispositivo se comporta em um circuito. Uma abordagem analítica pode envolver conectar valores discretos de tensão e corrente em uma fórmula matemática e representar graficamente os resultados, geralmente com o eixo x representando a tensão e o eixo y representando a corrente.

Essa abordagem funciona, mas às vezes é tediosa. E, como todo amador de eletrônica sabe, o comportamento dos componentes na vida real pode variar (geralmente muito) da fórmula que descreve sua operação.

Aqui, usaremos um circuito (forma de onda dente de serra) para aplicar tensão crescente discreta ao componente cuja curva VI queremos desenhar e, em seguida, usaremos um osciloscópio para visualizar os resultados.

Curva Tracer Simples

Para plotar uma curva em tempo real, precisamos aplicar valores de tensão discretos sucessivos ao nosso dispositivo em teste, então como isso pode ser feito?

A solução para nosso problema é a forma de onda dente de serra.

A forma de onda Sawtooth aumenta linearmente e volta a zero periodicamente. Isso permite a aplicação de uma tensão continuamente crescente no dispositivo em teste e produz um traçado contínuo em um gráfico (neste caso, o osciloscópio).

Um osciloscópio no modo XY é usado para 'ler' o circuito. O eixo X está conectado ao dispositivo em teste e o eixo Y está conectado à forma de onda dente de serra.

O circuito usado aqui é uma variação simples de um curve tracer usando peças comuns como o temporizador 555 e o amplificador operacional LM358.

Componentes necessários

1. Para o cronômetro

• 555 cronômetro - qualquer variante
• Capacitor eletrolítico de 10uF (desacoplamento)
• Capacitor de cerâmica 100nF (desacoplamento)
• Resistor 1K (fonte de corrente)
• Resistor de 10K (fonte de corrente)
• Transistor PNP BC557 ou equivalente
• Capacitor eletrolítico de 10uF (tempo)

2. Para o amplificador Op-amp

• LM358 ou opamp comparável
• Capacitor eletrolítico de 10uF (desacoplamento)
• Capacitor de cerâmica 10nF (acoplamento AC)
• Resistor de 10M (acoplamento AC)
• Resistência de teste (depende do dispositivo em teste, geralmente entre 50 Ohms e algumas centenas de Ohms).

Diagrama de circuito

Explicação de trabalho

1. O cronômetro 555

O circuito usado aqui é uma variação simples do circuito astável clássico 555 que funcionará como gerador de forma de onda dente de serra.

Normalmente, o resistor de temporização é alimentado por um resistor conectado à fonte de alimentação, mas aqui ele é conectado a uma fonte de corrente constante (bruta).

O fornecimento de corrente constante funciona fornecendo uma voltagem de polarização do emissor de base fixa, resultando em uma corrente de coletor (um tanto) constante. Carregar um capacitor usando uma corrente constante resulta em uma forma de onda de rampa linear.

Essa configuração deriva a saída diretamente da saída do capacitor (que é a rampa dente de serra que estamos procurando) e não do pino 3, que fornece pulsos negativos estreitos aqui.

Este circuito é inteligente no sentido de que usa o mecanismo interno do 555 para controlar um gerador de rampa de capacitor de fonte de corrente constante.

2. O amplificador

Como a saída é derivada diretamente do capacitor (que é carregado da fonte de corrente), a corrente disponível para alimentar o dispositivo em teste (DUT) é essencialmente zero.

Para corrigir isso, estamos usando o clássico LM358 opamp como um buffer de tensão (e, portanto, de corrente). Isso aumenta um pouco a corrente disponível para o DUT.

A forma de onda do capacitor dente de serra oscila entre 1/3 e 2/3 Vcc (ação 555), o que é inutilizável em um curve tracer, uma vez que a tensão não rampa de zero, dando um traço 'incompleto'. Para corrigir isso, a entrada do 555 é AC acoplada à entrada do buffer.

O resistor de 10M é um pouco de magia negra - foi descoberto durante o teste que se o resistor não fosse adicionado, a saída simplesmente flutuava para Vcc e permanecia lá! Isso ocorre por causa da capacitância de entrada parasita - junto com a alta impedância de entrada, ela forma um integrador! O resistor de 10M é suficiente para descarregar essa capacitância parasita, mas não o suficiente para carregar significativamente o circuito de corrente constante.

Como melhorar os resultados do traçado da curva

Uma vez que este circuito envolve altas frequências e altas impedâncias, uma construção cuidadosa é necessária para evitar oscilações e ruídos indesejados.

Recomenda-se um amplo desacoplamento. Na medida do possível, tente evitar o breadboard neste circuito e use um PCB ou uma perfboard.

Este circuito é muito rude e, portanto, temperamental. Recomenda-se alimentar este circuito a partir de uma fonte de tensão variável. Até mesmo um LM317 funcionará em apuros. Este circuito é mais estável em torno de 7,5V.

Outra coisa importante a se considerar é a configuração da escala horizontal no osciloscópio - se muito alto, todo o ruído de baixa frequência torna o traço difuso e, se muito baixo, não há dados suficientes para obter um traço 'completo'. Novamente, isso depende da configuração da fonte de alimentação.

Obter um traçado utilizável requer um ajuste cuidadoso da configuração da base de tempo do osciloscópio e da tensão de entrada.

Se você deseja medições úteis, é necessário um resistor de teste e o conhecimento das características de saída opamp. Com um pouco de matemática, bons valores podem ser obtidos.

Como usar o circuito Curve Tracer

Há duas coisas simples para se manter em mente - o eixo X representa a tensão e o eixo Y representa a corrente.

Em um osciloscópio, sondar o eixo X é bastante simples - a tensão é 'como está', ou seja, corresponde aos volts por divisão configurados no osciloscópio.

O eixo Y ou atual é um pouco mais complicado. Não estamos medindo diretamente a corrente aqui, em vez disso, estamos medindo a queda de tensão no resistor de teste como resultado da corrente no circuito.

É o suficiente se medirmos o valor de tensão de pico no eixo Y. Neste caso, é 2V, conforme visto na figura anterior.

Portanto, a corrente de pico através do circuito de teste é

I _varrer = V _pico / R _teste.

Isso representa a faixa de corrente de 'varredura', de 0 a I _varredura.

Dependendo da configuração, o gráfico pode se estender em tantas divisões na tela quanto disponíveis. Portanto, a corrente por divisão é simplesmente a corrente de pico dividida pelo número de divisões às quais o gráfico se estende, em outras palavras, a linha paralela ao eixo X onde a 'ponta' superior do gráfico toca.

Traçado de curva para diodo

Todo o ruído e fuzz descritos acima são vistos aqui.

No entanto, a curva de diodo pode ser vista claramente, com o ponto 'joelho' em 0,7V (observe os 500mV por divisão da escala X).

Observe que o eixo X corresponde exatamente aos 0,7 V esperados, o que justifica a natureza "como está" da leitura do eixo X.

A resistência de teste usada aqui foi de 1K, então a faixa de corrente foi de 0mA - 2mA. Aqui, o gráfico não excede duas divisões (aproximadamente), então uma escala aproximada seria 1mA / divisão.

Traçado de curva para resistor

Os resistores são eletricamente os dispositivos mais simples, com uma curva VI linear, também conhecida como lei de Ohm, R = V / I. É óbvio que os resistores de valor baixo têm inclinações acentuadas (I mais alto para determinado V) e os resistores de valor alto têm inclinações mais suaves (menos I para determinado V).

A resistência de teste aqui foi de 100 Ohms, então a faixa de corrente foi de 0mA - 20mA. Como o gráfico se estende a 2,5 divisões, a corrente por divisão é de 8 mA.

A corrente aumenta 16mA para um volt, então a resistência é 1V / 16mA = 62 Ohms, o que é apropriado, já que um potenciômetro de 100 Ohm era o DUT.

Rastreamento de curva para transistor

Como o transistor é um dispositivo de três terminais, o número de medições que podem ser feitas é bastante grande, no entanto, apenas algumas dessas medições têm uso comum, sendo uma delas a dependência da tensão do coletor na corrente de base (ambas referenciadas ao aterramento, é claro) em uma corrente de coletor constante.

Usar nosso rastreador de curva deve ser uma tarefa fácil. A base é ligada a um viés constante e o eixo X ao coletor. A resistência de teste fornece a corrente 'constante'.

O traço resultante deve ser semelhante a este:

I _B Vs V _CE

Observe que o gráfico mostrado acima é uma escala de registro, lembre-se de que o osciloscópio é linear por padrão.

Portanto, os traçadores Curve são dispositivos que produzem traços VI para componentes simples e ajudam a obter uma compreensão intuitiva das características dos componentes.