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:

La sezione in alto è basata su un comune “ripple counter” CMOS 4024 e una rete resistenze+diodi che definisce gli 8+8 livelli di Ib selezionando sequenzialmente le varie combinazioni

La parte in basso, apparentemente più complessa, altro non è che un oscillatore ad onda quadra (che genera il clock), poi integrato per avere la rampa di VCE. Alcune forme d'onda nei punti significativi possono a questo punto fugare più di un dubbio sul funzionamento dei vari stadi.

Pin 8 del TL074, onda quadra a 630Hz, 20Vpp	Pin 1 del 4024, clock input, 630Hz, 12Vpp	Pin 1 del TL074, onda triangolare 630 Hz, 10Vpp

A questo punto, se collegassimo le due uscite ad un normale oscilloscopio, vedremmo qualcosa di simile a quanto riportato nell'illustrazione seguente:

Illustrazione 1: Segnali X e Y in uscita dal tracciacurve

La traccia superiore (1) è il valore di corrente di collettore al variare periodico di VCE e corrente di base. La forma “a scalinata” è data proprio dalla sequenza dei valori di IB di test, a partire dal più piccolo fino al più grande per poi ricominciare da capo.

La traccia in basso (2) è invece la tensione fra collettore ed emettitore e varia fra 0 e 10V in questo caso.

Viste così, le tracce non ci regalano grandi informazioni, ma basta commutare l'oscilloscopio in modalità X-Y et.. voilà il gioco è fatto!

BC337-25 Ib bassa, Ic=20mA/div, HFE= 140 @ IC=20mA	BC337-25 Ib alta, Ic=100mA/div HFE =345 @ IC=220mA

La realizzazione pratica

Per rendere più conveniente e sicuro il suo utilizzo è opportuno prevedere  ​​​​ l'installazione della scheda e relativi comandi ed accessori in un contenitore adeguato. Nel seguito alcuni consigli pratici.

Il dispositivo funziona a bassa frequenza e tensione, ma un po' di ordine e cura nei cablaggi non guasta.

Vale la pena riflettere su come meglio connettere i transistor in prova al traccia curve. Si possono mettere zoccoli sul frontale, fare cavetti di prolunga, fare attacchi generici con piccole boccole su cui magari inserire come in quelli professionali specifici adattatori. Ognuno può scegliere la soluzione più congeniale.

Per le uscite da collegare all'oscilloscopio il consiglio è di impiegare dei BNC in modo da usare dei comuni cavi schermati da laboratorio.

Illustrazione 2: Vista esterna della mia soluzione, recuperando il case di un vecchio multimetro

Illustrazione 3: Vista interna della mia realizzazione. In basso a sinistra il trasformatore toroidale di alimentazione, a fianco l'alimentatore 15+15V e in alto la scheda della Thaikits

Esempi di applicazione

Come predisporre la misura

• Accendere l'oscilloscopio

• Connettere l'uscita X del traccia curve al canale 1 dell'oscilloscopio e quella Y al 2

• Impostare la base dei tempi nel modo XY

• Impostare la sensibilità del canale 1 a 2V/div

• Impostare la sensibilità del canale 2 a 20-100mV/div (20-100mA/div)

• Selezionare PNP/NPN

• Selezionare Ib su “transistor di segnale”

• Collegare il dispositivo da testare (non scambiare i terminali!)

• Accendere il traccia curve

• Nel caso le curve fossero troppo ravvicinate, passare al set di Ib superiore tramite l'apposito selettore

  Fare attenzione a non commutare fra NPN/PNP quando lo strumento è attivo in quanto il transistor potrebbe danneggiarsi.

Casi reali

Vediamo ora nel seguito alcune misure su dispositivi che avevo nel cassetto e da cui non sono mancate le “sorprese”... Nelle immagini seguenti le misure su quattro transistor3N3055 di differenti marchi.

2N3055 Motorola IC=100mA/div HFE= 100 @ IC=150mA	2N3055 Siemens IC=100mA/div HFE=150 @ IC=150mA
2N3055 ATES IC=100mA/div HFE= 80@ IC=150mA	2N3055 RCA IC=100mA/div HFE= 18 @ IC=40mA

Le differenze non sono certo risibili, ma già 40 anni fa il 2N3055 era uno dei transistor più “discusso” per la dispersione di caratteristiche, dovuta a fattori qualitativi, di selezione e non ultimo, di contraffazione (come purtroppo ancora oggi accade per dispositivi “di moda”).

E se il transistor da provare fosse un PNP? E magari al germanio? Detto, fatto..

Illustrazione 4: Curve di uno storico AU111

Sopra la misura di uno “storico” AU111. L'HFE è un “misero”3,5 @ 7,5mA di IC, nella norma per la tecnologia dell'epoca. Interessante invece notare come le curve siano “specchiate” rispetto al caso del NPN, cioè IC e VCE siano lungo gli assi negativi.

Conclusioni

Quello che è stato per molti anni uno strumento considerato appannaggio solo di centri di ricerca o produzione può oggi entrare nei nostri laboratori domestici e aule didattiche per pochi Euro. Certo, non è performante come gli strumenti professionali ma non per questo meno utile e quando proverete a verificare i dispositivi nel vostro cassetto.. le sorprese non mancheranno!

Bibliografia

Testi

Keithley Instruments, Inc. The Challenge of Integrating Three Critical Semiconductor Measurement Types into a Single Instrument Chassis

Semiconductor Characterization Software offers parametric testing. (October 1, 2011) ThomasNet News

Siti

www.microwaves101.com/encyclopedia/curvetracer.cfm

www.thaikits.com

www.quora.com/What-is-the-resistance-of-a-diode

www.scuolaelettrica.it/elettrotecnica/

www.ecnmag.com/article/2010/12/what-gives-dropout-low-dropout-regulator-performance-near-dropout