Elektor

4/98

Die Messung der Gleichstromverstär-
kung eines Transistors ist im Prinzip
eine einfache Sache. Man muß ledig-
lich einen genau definierten Basis-
strom I

B

durch den Basis/Emitter-Über-

gang leiten und dabei den Kollektor-
strom I

C

messen. Der Quotient dieser

beiden Ströme ist der Gleichstromver-
stärkungsfaktor H

FE

. Wichtig ist aber

zu wissen, daß der Verstärkungsfaktor
(leider) keine Konstante ist, sondern
von der Größenordung beider Ströme
und von der angelegten
Kollektor/Emitter-Spannung U

CE

.

abhängt. Zu einem kleinen Basisstrom
gehört ein anderer Verstärkungsfaktor
als zu einem großen. Zu jedem Tran-
sistor gehört deswegen eine Kennlini-
enschar. Um genau zu wissen, wie sich
ein Transistor verhält, muß man mit
verschiedenen Basisströmen messen.
Die hier gezeigte Schaltung gebraucht
acht verschiedene Basisströme in 25-

µA-Schritten von Null bis 175 µA. Und

Mit dieser kleinen

Schaltung können

Kennlinien von

NPN- und PNP-

Transistoren auf

dem PC-Monitor

sichtbar gemacht

werden. Grund-

lage ist der

NPN/PNP-Kennlini-

enschreiber, den

Elektor 1993 vor-

stellte. Die Schaltung wurde vom Autor mit

einem neuen Wandler-IC und einer 32-bit-Soft-

ware ausgestattet, die unter Windows 95 läuft.

56

Von Sakari Aaltonen

NPN/PNP-

Kennlinienschreiber

Modifikation

mit Windows-Software

Technische Daten

- geeignet für NPN- und PNP-Transistoren
- wird an der parallelen Druckerschnittstelle angeschlossen
- grafische Wiedergabe der Kennlinien
- Netzteil “on board”
- komplett mit Windows-Software
- Meßbereich Kollektor/Emitter-Spannung 0...9 V
- I

C

wird mit 8 Basisströmen gemessen (0...175

µA)

- Maximal zu messender H

FE

von 570

- geeignet für Windows 95 oder Windows 3.1 mit Win32s-Erweiterung

bei jedem Wert variiert die Kollek-
tor/Emitter-Spannung in 256 Schritten
von 0 bis 9 V.

B

L O C K S C H A L T B I L D

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild des
Kennlinienschreibers. Zentrale des
ganzen ist ein 11-bit-Binärzähler, der
während des Meßvorgangs von 0 bis
2047 zählt. Die unteren acht Bit (LSBs)
steuern einen D/A-Wandler, der die
Kollektor/Emitter-Spannung in 256
Stufen für den TUT (transistor under
test) produziert. Die drei meistsignifi-
kanten Bits steuern einen weiteren
D/A-Wandler, der den Basisstrom

(0...175

µA) in Schritten

von 25 µA erzeugt.
Der Wandler wurde
doppelt eingezeichnet,
da er sowohl positive
Basisströme zum Test
von NPN-Transistoren
als auch negative für
PNP-Typen liefern
kann.
Der Kollektorstrom
fließt über einen Refe-
renzwiderstand nach
Masse und erzeugt
über dem Widerstand
einen Spannungsab-
fall, der von einem
Analog/Digital-Wand-
ler erfaßt und in com-
putergerechte Form
gebracht wird. Wer die
Blockschaltung genau
inspiziert, wird fest-
stellen, daß beim PNP-
Transistor wie
gewünscht der Kollek-
torstrom, beim NPN-
Typen aber der Emit-
terstrom gemessen
wird, der sich aus Kol-

lektorstrom und Basisstrom zusam-
mensetzt (I

C

= I

E

- I

B

). Obwohl der

Einfluß des Basisstroms nur gering ist,
rechnet die Software ihn einfach her-
aus.
Clou der Schaltung ist aber, daß all
dies mit nur sechs Daten- und einer
Handshake-Leitung (zum Lesen der
Daten des A/D-Wandlers) vom PC
gesteuert werden kann. Dadurch ent-
spricht der Datenverkehr zwischen
Kennlinienschreiber und PC dem zwi-
schen PC und Drucker, so daß die
Schaltung an jedem Druckerschnitt-
stellen-Typ funktioniert, sei es Stan-
dard-Centronics, EPP oder ECP.

D

I G I T A L N A C H A N A L O G

N A C H D I G I T A L
Vom Blockschaltbild zur “echten”
Hardware (Bild 3) ist es nur ein kurzer
Weg. Der größte Teil ist identisch mit
der Schaltung von 1993, neu präsen-
tiert sich lediglich der D/A-Wandler
AD557JN, der besser erhältlich ist als

der ursprünglich eingesetzte ZN425.
Dieser D/A-Wandler, eine Verstärker-
stufe (IC3a) und der Treiber T1 sorgen
für die Kollektor/Emitter-Spannung
U

CE

. Der D/A-Wandler, der die Basis-

ströme produziert, ist diskret aufge-
baut. Die drei obersten Bits von IC1
liefern den Basisstrom für den NPN-
Transistor. Die Widerstände R8...R10
gewichten die Teilströme, die hinter
den Dioden zusammengeführt wer-
den, entsprechend ihrer Wertigkeit.
Beim PNP-TUT liegt der Fall ein wenig
komplizierter, da der Kollektor nicht
fest auf Massepotential liegt, sondern
der Kollektor/Emitter-Spannung folgt.
Um sicher zu gehen, daß der Transi-
stor auch bei einer niedrigen U

CE

(nahe 0 V) noch leitet, muß die Span-
nung an der Basis negativ sein. Daher
ist eine negative Hilfsspannungsquelle
in Form eines LM337 (IC6) nötig, die
–1,82 V zur Verfügung stellt. Die Tran-

57

Elektor

4/98

DAC

DAC

DAC

ADC

Centronics-

Interface

11-bit-
Zähler

E

C

C

E

NPN

PNP

3

8

2

4

U

CE

U

CE

I

B

I

B

I

B

I

C

0

9V

980022 - 12

B

B

1

Bild 1. Das Block-
schaltbild des Transi-
stor-Kennlinienschrei-
bers. Die Schaltung
umfaßt drei D/A- und
einen A/D-Wandler.

Bild 2. Das Bild-
schirmfoto zeigt das
Signal, das am Ein-
gang A0 des A/D-
Wandlers angeboten
wird. Jeder Impuls
verursacht einen
anderen Basisstrom.
Der Anstieg zeigt den
Effekt der sich verän-
dernden U

CE

.

2

sistoren T2...T4 bilden zusammen mit
den (ähnlich wie bei R8...R11 gewich-
teten) Widerständen R16, R18 und
R20 Stromsenken. Die Transistoren
der Stromsenken werden ebenfalls
mit den obersten Bits der Zählers
geschaltet.
Der Widerstand, über den der Kollek-
torstrom (PNP) beziehungsweise Emit-
terstrom (NPN) ermittelt wird, ist R23.
Um seinen Einfluß auf ein Minimum
zu beschränken, muß er mit dem nied-
rigen Wert von 1

Ω

auskommen. Da

der Spannungsabfall, die Meßspan-

nung, wegen des niedrigen Werts
auch sehr klein ist, läßt sich der recht
hohe Verstärkungsfaktor (nämlich 48)
des Opamps IC3b nicht umgehen.
Das Ausgangssignal des Opamps, wie
es in Bild 2 zu sehen ist, erreicht den
A/D-Wandler am Anschluß A0. Das
Bild zeigt den verstärkten Spannungs-
abfall an R23 bei in 256 Stufen von 0
bis 9 V steigendem U

CE

für insgesamt

sieben Basisströme. Hier ist der Einfluß
der U

CE

auf den Stromverstärkungs-

faktor gut zu sehen.
Eine Begrenzung des Meßwerts ist

durch den Eingangsspannungsbereich
des A/D-Wandlers von 5 V gegeben.
Da der Verstärker IC3b das Meßergeb-
nis um den Faktor 48 anhebt, darf bei
einem Wert von 1

Ω

der Kollektor-

beziehungsweise Emitterstrom 5 V/
(1

Ω

·48) = 0,1042 A nicht überschrei-

ten. Da der höchste erzeugte Basis-
strom 175 µA beträgt, ist der maximale
meßbare Stromverstärkungsfaktor
104,2 mA/175 µA = 595.
Die Kollektor/Emitter-Spannung wird
vom Spannungsteiler R21 und R22
halbiert und dem Eingang A3 des A/D-

58

Elektor

4/98

K1

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

1

2

3

4

5

6

7

8

9

R1

1k

R2

1k

CTR12

IC1

CT=0

4040

HCT

10

11

13

15

14

12

11

10

CT

74

16

4

2

3

5

6

7

9

1

+

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

8

AD557

IC2

Vout

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

12

11

13

16

15

14

CE

10

CS

1

2

3

4

5

6

7

8

A

B

9

2

3

1

IC3a

6

5

7

IC3b

R6

27k

R5

33k

R3

27k

R4

27k

R7

10

Ω

R19

27k

R20

8k66

R17

27k

R18

17k4

R15

27k

R16

34k8

R27

150

Ω

R28

1k8

R29

150

Ω

R30

332

Ω

R21

270k

R22

270k

R23

1

Ω

R24

47k

R25

1k

T1

BD139

T5

NPN

T4

BC547

T3

T2

T6

PNP

R8

150k

R9

150k

R10

150k

R11

37k4

R12

100k

R13

100k

R14

100k

D2

1N4148

D1

1N4148

D3

1N4148

TR1

2x 9V
3VA3

D4

D7

D5

D6

C2

100

µ

63V

C4

100

µ

35V

C5

100

µ

35V

C6

100

µ

25V

LM317

IC5

LM337

IC6

C3

100

µ

35V

D9

2x 1N4001

D8

K2

IC7

7805

C7

100n

C8

100n

C9

100

µ

25V

R26

2k2

D10

IC3

8

4

C12

100n

C11

100n

C10

100n

C13

100n

3x

980022 - 11

1N4001

4x

C

B

E

C

B

E

SELECT

ERROR

BUSY

D6

D4

D3

D2

D1

D0

5V

5V

5V

16V3

IC3 = LM358

1V82

5V

16V3

1V82

Centronics

5V

16V3

C1

220

µ

25V

JN

SYS CLK

IO CLK

REF –

REF +

IC4

DATA

ADDR

1541

A10

TLC

11

17

19

12

18

A0

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

A9

13

14

15

CS

16

20

10

8

9

7

6

5

4

3

2

1

3

Bild 3. Kein langer Weg von
der Theorie zur Praxis. Das
Schaltbild ist schön kom-
pakt und zeigt nur gut
erhältliche Bauteile.

59

Elektor

4/98

(C) Segment

980022-1

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

C12

C13

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

D8

D9

D10

H2

IC1

IC2

IC3

IC4

IC5

IC6

IC7

K1

K2

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

R16

R17

R18

R19

R20

R21

R22

R23

R24

R25

R26

R27

R28

R29

R30

T1

T2

T3

T4

~

~

980022-1

1

1

1

1

19

18

36

B

E

C

C

B

E

PNP

NPN

Tr1

(C) Segment

980022-1

Stückliste

Widerstände:
R1,R2,R25 = 1 k
R3,R4,R6,R15,R17,R19 = 27 k
R5 = 33 k
R7 = 10

Ω/5 W

R8...R10 = 150 k
R11 = 37k4 1%
R12...R14 = 100 k
R16 = 34k8 1%
R18 = 17k4 1%
R20 = 8k66 1%
R21,R22 = 270 k
R23 = 1

Ω00 1%

R24 = 47 k
R26 = 2k2
R27,R29 = 150

Ω

R28 = 1k8
R30 = 332

Ω 1%

Kondensatoren:
C1 = 220

µ/25 V stehend

C2 = 100

µ/63 V stehend

C3...C5 = 100

µ/35 V stehend

C6,C9 = 100

µ/25 V stehend

C7,C8,C10...C13 = 100 n

Halbleiter:
D1...D3 = 1N4148
D4...D9 = 1N4001
D10 = LED, high eff.
T1 = BD139
T2...T4 = BC547B
T5 = TUT
T6 = TUT
IC1 = 74HCT4040
IC2 = AD557JN
IC3 = LM358
IC4 = TLC1541IN
IC5 = LM317 (SOT220)
IC6 = LM337 (SOT220)
IC7 = 7805

Außerdem:
K1 = Centronics-Verbinder für Plati-

nenmontage, gewinkelt

K2 = 2polige Platinenan-

schlußklemme, RM7,5

Tr1 = Netztrafo 2·9 V/3,3 VA

(Monacor VTR3209)

Netzeingangsbuchse mit eingebau-

tem Sicherungshalter, F = 200 mA
träge

Kombinationspaket EPS 980022-C,

bestehend aus Platine und Win-
dows-Software (Diskette)

Die alte DOS-Version der Software

ist unter der Bestellnummer EPS
1782 lieferbar.

4

Bild 4. Die Platine
wurde so entworfen,
daß bis auf die Netz-
eingangsbuchse alle
Bauteile Platz finden.

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Wandlers IC4 zugeführt. Damit kann
die Software den Stromverstärkungs-
faktor nicht nur in Abhängigkeit vom
Basisstrom, sondern auch von der U

CE

ermitteln.
Der Aufbau des Netzteils ist recht
interessant, denn neben dem üblichen
dreibeinigen Spannungsregler LM317,
der durch R27 und R28 auf eine Aus-
gangsspannung von +16,3 V einge-
stellt ist, und dem Festspannungsreg-
ler IC7, der für die +5-V-Betriebsspan-
nung der beiden Wandler und des
Logik-ICs sorgt, muß für die negative
Hilfsspannung zu einem Trick gegrif-
fen werden. Durch C3 fließt ein
Wqechselstrom, die eine Perioden-
hälfte durch D8, die andere über D9
und lädt C4 auf. Diese gegenüber
Masse negative Spannung wird vom
LM337 auf -1,82 V stabilisiert.

E

I N K O M P A K T E S

G

A N Z E S

Die Platine, deren Layout und
Bestückungsplan in Bild 4 zu sehen
ist, trägt alle Bauteile inklusive Netz-
trafo und ist kinderleicht zu bestücken.
Zunächst bringt man die Draht-
brücken an, danach den Verbinder K1
und anschließend die anderen Bau-
teile. Achten Sie auf die korrekte Pola-
rität der Elkos, Transistoren und ICs.
Der An/Aus-Schalter muß direkt am
Gehäuse montiert werden. Die drei
Spannungsregler werden nicht
gekühlt.
Die Testfassungen sind keine Spezial-
bauteile, sondern ganz normale und
preiswerte IC-Kontaktstreifen, entwe-
der zweimal dreipolig getrennt für
PNP und NPN oder einmal vierpolig
mit verbundenen Emitter/Kollektor-
Anschlüssen.

S

O F T W A R E

F Ü R

W

I N D O W S

Zu einem solchen Projekt gehört
natürlich auch eine moderne Software,
die unter Windows läuft. Das zur
Schaltung gehörende Programm arbei-
tet mit 32 bit, ist also ausschließlich mit
Windows 95 oder Windows 3.1 mit
Win32S-Erweiterung zu gebrauchen.

Die alte DOS-Version ist übrigens auch
noch lieferbar (EPS 1782).
Die Software besteht aus einem ein-
fachen, aber den Zweck - das Messen
von Transistoren - erfüllenden Pro-
gramm mit der Bezeichnung
npnpnp.exe. Nach Selektion der
Druckerschnittstelle (378

HEX

278

HEX

oder 3F8

HEX

) wählt man den Transi-

stortyp (NPN oder PNP) und den
maximalen Kollektor- oder Emitter-
strom (80 mA, 100 mA oder 120 mA).
Diese Einstellung hat allerdings nur
Einfluß auf die Skalierung der Grafik,
nicht auf den tatsächlichen Strom.
Danach geht es zur Kalibrierung:
Zunächst gibt man an, wieviel Ein-
stellungen man für den Basisstrom
gebraucht. Maximal lassen sich acht
Kurven aufzeichnen, nämlich eine
ohne Basisstrom und sieben mit
abgestuften Basisströmen von 25 µA
bis 175 µA. Auch die Anzahl der
Schritte, mit denen die Kollektor/
Emitter-Spannung von 0 bis 9 V
ansteigt, ist bis maximal 256 einstell-
bar. Die Meßergebnisse können im
CSV-Format (comma separated
value) gespeichert und beispielsweise
in einer Tabellenkalkulation weiter
verarbeitet werden. So einfach läßt
sich eine Datenbank mit Transistor-
kennlinien anlegen.

(980022)rg

5

Bild 5. Ein Foto des
aufgebauten Labor-
musters. Es wird über
ein normal verdrahte-
tes Druckerkabel an
die Centronics-
Schnittstelle des PCs
angeschlossen.

60

Elektor

4/98