Tracciacurve RKE04.2016

Il Tracciacurve

Il tracciacurve è uno di quegli strumenti che pur avendo un ruolo fondamentale nello sviluppo dell'elettronica ha sempre avuto una scarsa diffusione presso gli appassionati. Da sempre è stato considerato uno “strumento da laboratorio” operabile  solo da personale molto specializzato ed esperto e con la capacità di investire cifre significative, nonché poco descritto e ingombrante.

Prima di approfondire il tema specifico, vediamo un piccolo richiamo alle curve caratteristiche dei componenti elettronici più comuni e alla storia dello strumento.

 

 

Le curve dei componenti elettronici

Cosa vuol dire “curva di un dispositivo”? Per curva dei componenti si intende la rappresentazione grafica della relazione fra due o più grandezze elettriche del componente, tipicamente tensione e corrente.

Per fugare ogni dubbio vediamo alcuni esempi pratici.

Componente

Curva tipica

Note

resistenza

La relazione fra V e I è la ben nota legge di OHM V=R×IV= R times I ; la pendenza della curva è inversamente proporzionale al valore di resistenza del componente

diodo a silicio

Tipica curva V-I di un generico diodo. Nel primo quadrante, vediamo come  fino alla tensione di soglia Vg (0,7V circa) la corrente sia praticamente nulla per poi aumentare velocemente  e in maniera quasi lineare. Nel quadrante opposto vediamo invece la corrente inversa di saturazione del dispositivo, generalmente molto bassa fino alla tensione di breakdown oltre la quale il dispositivo va in guasto (Zener a parte).

transistor NPN

Si dicono caratteristiche di uscita quelle che esprimono la corrente di collettore IC in funzione della tensione VCE, mantenendo costante la IB. A differenza del diodo, vi sono diverse caratteristiche di uscita, ognuna ottenuta per un valore prefissato della corrente di base IB (il minore è la curva più in basso); cioè mantenendo costante la IB all'aumentare della VCE, inizialmente la IC è zero; poi aumenta linearmente e rapidamente fino al ginocchio;  oltre il quale resta praticamente costante, anche se aumenta la VCE.

FET

La caratteristica di uscita “assomiglia” a quella di un BJT ma vi sono due importanti differenze: la famiglia di curve è determinata ora dalla Vgs e non più dalla IB e vi è un tratto significativo della curva quasi lineare, detto per questo “ohmico”

 

Tutte queste curve caratteristiche dei componenti venivano una volta rilevate a mano, punto per punto. Poi, nel dopoguerra, sono apparsi i primi strumenti “automatici”, di cui forse il TEK570 è il capostipite più famoso (vedi immagine  copertina). Questi strumenti altro non fanno appunto che automatizzare il processo di misura e rendere immediatamente fruibili a video le curve risultanti.

 

L'evoluzione storica del tracciacurve

Prima dell'introduzione dei semiconduttori, vi erano modelli studiati per i tubi elettronici quali ad esempio il già citato Tektronix 570. Anche i primi tracciacurve per semiconduttori (a quel tempo a germanio) erano realizzati con tubi a vuoto quale ad esempio il TEK575.

Da decenni i tracciacurve sono completamente allo stato solido, spesso interfacciati ad un PC e permettono una grande varietà di analisi non limitandosi più alla V-I di base.

Infatti i modelli più recenti consentono ora tre tipi principali di analisi:

  • corrente-tensione (I-V)

  • capacità-tensione (C-V)

  • transitori ultraveloci di corrente-tensione (I-V).

 

Principio di funzionamento

Per automatizzare la misura una volta manuale, si applica al dispositivo una spazzolata di livelli tensione continuamente variabile nel tempo misurando al tempo stesso l'intensità di corrente nel circuito in prova. Questo grafico, cosiddetto V-I (tensione contro corrente), viene (veniva) visualizzato sullo schermo di un oscilloscopio. La configurazione dello strumento include in genere la tensione massima applicata, la polarità della tensione applicata (compresa l'applicazione automatica di entrambe le polarità positive e negative) e la resistenza inserita in serie con il dispositivo. La tensione può essere fino a parecchie migliaia di volt, con correnti di carico di decine di ampère disponibili a tensioni più basse (valori tipici per strumenti da laboratorio).

Per i dispositivi a due terminali (diodi e DIAC), quanto sopra è sufficiente per caratterizzare completamente il dispositivo. Il traccia curve può visualizzare tutti i parametri interessanti, come tensione diretta del diodo, corrente inversa di fuga, tensione inversa di rottura e così via.

Per caratterizzare invece i dispositivi a tre terminali come transistori e FET occorre utilizzare anche una connessione al terminale di controllo del dispositivo in fase di test come la base o il terminale Gate. Ovviamente per i transistor si applica una sequenza di valori di corrente di base Ib mentre coi FET si userà una serie di valori di tensione Vgs. Il fascio di curve generato rende molto semplice determinare il guadagno statico di un transistore o FET.

Un esempio moderno

Tutto questo premesso, vediamo oggi un esempio di realizzazione commerciale moderna, economica, compatta ed adeguata sia a fine didattici sia di approfondimento e studio nel proprio laboratorio domestico.

Lo strumento capace di misurare transistor NPN e PNP di piccola potenza viene venduto pre assemblato dalla Thaikits (vedi bibliografia) ad un prezzo “quasi simbolico” (pizza+birra equivalente). Per funzionare richiede una semplice alimentazione da +/-1%Vdc e 1A.

Funzionalità dello strumento

  • Test di transistor PNP e NPN

  • Due gruppi indipendenti di correnti di base per transistor di segnale o piccola potenza

  • 8 passi di Ib per transistor di segnale:
    0μA;24μA;48μA;72μA;96μA;120μA;144μA;168μA

  • 8 passi di Ib per transistor di piccola potenza:
    0mA;0,32mA;0,64mA;0,96mA;1,28mA;1,6mA;1,92mA;2,24mA

  • VCE = max +10V per NPN e -10V per PNP

  • Frequenza di commutazione: circa 650Hz

 

Schema e funzionamento

Lo schema elettrico del traccia curve è riportato nell'illustrazione seguente: