最近音技刊登了幾篇CURVE TRACER的文章,分別刊在73期p.78,76期p.71,78期p.60。這一篇比一篇精采,圖文並茂的製作實例,相信已把拿烙鐵的朋友,搔得心癢癢的。到底是實作派的一群,當我們對電阻已能要求到1%以下的規格,3%、2%,乃至1%的電容也不難買到的時候,對IC除外的半導體主動元件,依然停留在用三用表檢驗的階段!對「技術升級」口號喊得震天價響的今天,身為電子工業最基層的一群,總也要有具體的行動來響應這政策性的號召吧!
在前述三篇文中,我們可以發現幾個共通點:①都是用鋸齒波作掃描,②產生階梯波的方法也一樣,都是用555作時基,推動二進位計數器,用BCD碼來控制電子開關,產生所要的階梯波形。前述用鋸齒波作掃描,是很正統的方法,但並不是唯一的。除鋸齒波外,半週正弦波也常用作陰極射線管的水平掃描用一樣能得到一清晰穩定的曲線。其二,在相同的階梯波形要求下,我們也可以試著用其他的方法,以更簡潔的線路與零件來達成。81期p.99的Scope多跡線路之原理亦是方法之一。以下我們介紹一台以實用、簡單為出發點所設計的CURVE TRACER供讀者仿製,它不刻意強調精確度,然其性能已超出實用上的要求。希望有示波器的朋友,都能裝它一台,它將提升你的技術水準到一個新的層次。以下,我們由本機的方塊圖進入正文。
電路分析
請參閱方塊圖及全機電路圖。
由本機之電路圖可知,本機之掃描波形,是由市電經變壓器次級作全波整流而得的。因此其頻率為120Hz,波形為半波之正弦波。當極性POLARITY轉換開關S3置於DIODE時,為使Scope能同時描出二極體的順、逆向特性,此時掃描電壓應交替作正向與負向掃描,所需之全波掃描電流其實就是未整流的60Hz交流電壓。由於出現在示波器的波形均為p-p值(峯至峯值),因此,變壓器次級掃描電壓線圈,係以面板標示電壓的均方根值繞製,益集10V×0.707=7V,20V×0.7=14V,30V×0.7=21V...。50V檔以下,變壓器能輸出500mA電流,200V以下應有100mA電流輸出。更寬裕的電流輸出能力,並不意味著電流的提高,詳細原理容後述。
電路圖左上角,是簡單的二極體穩壓電路,分別供應全機所需的±12V、-5V。此部分亦可代以小型的三端子穩壓IC,如78L05 7812 7912等。值得一提的是,在此我們串入了D5和D6,以取出120Hz的同步信號(每一階梯電壓均需同步於掃描電流,請看照片一),此信號經Q1 Q2作波整形,以適合TTL IC 7493之輸入。
7493是一只二進位計數器,內各有一除2和除8的計數電路,輸出為BCD碼,在此係作為÷8計數器用。在120Hz輸入時,它能每隔8週產生一完整8階階梯波所需的邏輯直流電位,也就是每秒有15週次的重覆率。此頻率雖略低於人眼的視覺暫留頻率,但並不影響晶體曲線的觀察與判讀。
7493之輸出腳經R11 12 13作邏輯高電位提升後,於R17 18 19等電阻上產生不同比重的加權值,另R17上端於每一階梯週期中,隨計數器之增加而產生遞升之正階梯波電壓,其P.P.值約為3V左右。請看附圖:階梯波週期時序圖。
前述R17 18 19需用1%精密電阻,否則可能產生不等距的階梯電壓,不僅有礙觀瞻,也影響了測試精度。
S3為極性選擇開關,四刀三段,先斷後接型。讓我們拿一個市售常見的ROTARY SWITCH(旋轉式波段SW)來觀察:此種SW因不是密封的,可以清楚的看出轉動時接帚改變的情形。在轉換的途中有極短的剎那,當接帚還未完全離開原接點時已碰到下一接點,此型開關我們稱之為先接後斷型。推想其設計之原意,可能是專供音響機器之訊源選擇用不讓AMP.之輸入端有浮接的機會,如此可減少SW切換時產生令人不快的音爆。它只適合用於低電平之訊號切換,或低電壓之直流切換用,絕不適合用在含有交流電源的電路中,哪怕祇是一組,亦將招來你替替換換,不堪其擾的麻煩。同理SWEEP VOLTAGE切換S2亦必須用先斷後接型的。很可惜此型SW雖非罕見,却也不容易購得,當初是以極少的數量,向台灣艾華訂製的。讀者仿製時,可往專門拆機器的解體店中尋寶,能有瓷質座的尤佳。
也適用FET
如果你有小到能裝到面板用的自耦變壓器,不妨拿來用作掃描電壓調整用,不難買到0~130V的電壓調整。唯需注意的是,變壓器的防觸電隔離問題。
言歸正傳,為了要能測二極體、NPN、PNP電晶體外,也要能測J FET與MOS FET,因此對供加於代測晶體的電壓極性,與階梯波極性,必須有靈活選擇的餘地,這點本機也做到了。見電路圖,S3A、S3B是作為NPN、PNP晶體的階梯波極性選擇用,S4則是FET(指J-FET)之階梯極性切換;S3C、S3D是掃描電壓極性選擇。明瞭以上開關作用,有助於實際的操作應用。到此,話分兩頭,我們先談談電路圖下方的電路。
S3C、S3D的選擇臂接到PC板的J、K點,從J點到被測晶體C/D極有兩只電阻供選擇,圖上註明是100Ω 30W與1K 5W,分別當作功率晶體/小信號晶體的C極負載電阻,作限流保護用。增減此電阻值並無不可,只要你知道安全測試範圍即可。從K點,也就是掃描電源到本機之地端亦有二只電阻供選擇,它們是電流檢出電阻,當被測晶體的 IE流經此電阻時所產生的電壓,即是接到Scope Y軸的信號電壓;原機分別使用100Ω與10Ω,配合「Y軸電流換算表」即可迅速求得被測晶體的 IC,將此 IC除以已知的 IB,即是此晶體的β值。如讀者覺得此電阻值偏高,亦可參考78期音技p.66姜君文中的分析,令其為10Ω與1Ω,再用一OP AMP放大十倍。由於本機之設計,是著眼於簡單實用與求普及而非以大功率晶體為主要對象,故未曾考慮以大電流作掃描。
S6為正常操作刻度校正SW,用VR104從D17分壓出穩定的120Hz、5Vp-p電壓,作Scope Y軸刻度校正用。如閣下配合本儀表用的示波器刻度夠準的話,可將此SW改成專供高壓耐壓測試開關,此時需串加一只電阻,作為高壓檔限流保護用(於50V檔以上檔位作耐壓測試時,其限流電阻R39 R40顯然偏低,不足以起保護作用,因此冝串加一只10K~50K 5W電阻),修改示意圖見圖2:
VR105,為水平光跡長度調節,從加於待測晶體座的E/S、C/D端分壓出適當電平,作為本機之X軸信號輸出。在設計此機之外觀時,我們希望它能有夠小的體積,方便不用時能收藏在櫃子裡,而在應用時能以簡潔的方法和Scope迅速完成連接,以達成一樣得心應手的實用儀器,因此毫不考慮地採用了BNC座,並以2條BNC雙頭連接線,做為本機的標準附件。如果你的Scope輸入端子不是標準的BNC座,而是單端子的話,建議你買兩個BNC座將它換上,而不是將本機連結線的一端改成插頭。隨著儀器的購置,你將會體會出這兩條BNC線的妙用。
話題回到階梯波產生器,OP IC 741在此當作一個反相/非反相階梯電壓放大器,VR101產生一個偏負的位移電壓,令出現在R17上端的階梯電壓之第一階為DC 0V。VR102、VR103分別為正、負階梯之增益調整,將8階3Vp-p之信號放大至0.5V/STRP,並提供電流輸出能力。由OP AMP資料可知,μA741之PD=500mW,在本電路中,±12V的供電下,以三用表30mA檔接於PC板S.R端,可得16mA顯示,表市本機最大階梯波電流不大於20mA,這已足供功率晶體β之概略測試。
S7為選擇加於待測晶體的B/G極電壓與電流,單刀12段,包括一檔外加測試訊源選擇,BASE CURRENT基極電流源分別為每階10μA、20μA、50μA、0.1mA、0.2mA、0.5mA、1mA、2mA等8檔位,其限流電阻直係以0.5V/STEP選擇檔電流值求得。閘極測試電壓源有3檔位,分別為0.1V、0.2V、0.5V每階,係由R33~R36將IC102之輸出電壓分壓而得。在此,我們必須提醒各位一點,假定被測晶體的B C極短路,而且掃描電壓夠高的話,很明顯的,IC102將有損壞之虞。防止之法,可在PC板S、R端以兩只5V 1W的Zener Diode背對背串接,如此既不影響本機之正常動作,使用上也較安心些。
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C7 C8為防止寄生振盪用,據經驗以加於C、E極為佳。當使用外接測試插座時,引線愈短愈好,以求曲線的清晰穩定。由於本機線路全屬低阻抗電路,故在配線上無須使用隔離線,可用多色之0.6㎜鍍錫線配接,電路介紹到此為止,下期我們將繼續介紹本機的裝機與調整、操作方法和曲線的判讀,同時於供應完全套件外,並準備了近千本的儀器手冊(150磅銅版紙精印,24頁),提供給有心學習的讀者,並歡迎學校採用為實習教材,請以公函索取即寄。
轉載音響技術第84期DEC. 1982 晶體曲線描繪器製作/奈 格
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