Приставка к прибору для измерений транзисторов. Универсальный тестер радиокомпонентов

При сборке или ремонте усилителей звука довольно часто требуется подобрать идентичные по параметрам пары биполярных транзисторов . Китайские цифровые тестеры могут измерить коэффициент передачи тока базы (в народе — коэффициент усиления) биполярного транзистора, но маломощного. Для входных дифференциальных или двухтактных каскадов подойдёт. А как быть с мощными выходными?

Для этих целей в измерительной лаборатории радиолюбителя, занимающегося конструированием или ремонтом усилителей, должен быть . Он должен измерять коэффициент усиления на больших токах, близких к рабочим.

Для справки: коэффициент усиления транзистора «по научному» называется коэффициентом передачи тока базы в цепь эмиттера, обозначается h21э . Раньше назывался «бэта» и обозначался как β, поэтому иногда радиолюбители старой школы прибор для проверки транзисторов называют «бетник».

В Интернете и радиолюбительской литературе можно найти огромное количество вариантов схем прибора для проверки транзисторов . Как довольно простых, так и сложных, рассчитанных на разные режимы или автоматизацию процесса измерений.

Для самостоятельной сборки решено было выбрать схему попроще, чтобы наши читатели без труда могли сделать прибор для проверки транзисторов своими руками . Заметим сразу, что нам как-то чаще приходится иметь дело с усилителями на биполярных транзисторах , поэтому и получившийся в конце концов прибор предназначен для измерения параметров только биполярных транзисторов .

Для справки: раньше главный редактор РадиоГазеты измерения проводил старым дедовским способом: два мультиметра (в цепь базы и цепь эмиттера) и «многооборотник» для задания тока. Долго, но информативно – можно не просто подобрать транзисторы, но и снять зависимость h21э от тока коллектора. Довольно быстро пришло осознание бесполезности данного занятия: для наших транзисторов снимать такую зависимость – одно расстройство (настолько они кривые), для импортных – пустая трата времени (все графики есть в даташитах).

Включив паяльник, главный редактор принялся собирать прибор для проверки транзисторов своими руками.

Если ноги плохо пахнут, вспомните, откуда они растут.

Немного погуглив, я нашёл схему прибора для проверки транзисторов , которая растиражирована на довольно приличном количестве сайтов. Простая, портативная... но кроме самого автора её никто не хвалит. Это должно было смутить сразу, но увы.

Итак, исходная схема (с немного упрощенной индикацией и коммутацией):

Увеличение по клику

По замыслу автора здесь операционный усилитель совместно с испытуемым транзистором образуют источник стабильного тока. Ток эмиттера в этой схеме постоянный и определяется величиной эмиттерного резистора. Зная этот ток, нам остаётся только измерить ток базы, а затем путём деления одного на другое получить значение h21э. (в авторском варианте шкала измерительной головки сразу градуировалась в значениях h21э).

Два биполярных транзистора на выходе ОУ служат для увеличения нагрузочной способности микросхемы при измерении на больших токах. Диодный мост включён для того, чтобы исключить необходимость перекоммутации амперметра при переключении с «p-n-p» на «n-p-n» транзисторы. Для повышения точности подбора комплементарных пар биполярных транзисторов требуется отобрать стабилитроны (задающие опорное напряжение) с максимально близкими напряжениями стабилизации.

Меня как-то сразу смутило «не совсем корректное» включение операционного усилителя при однополярном питании. Но макетная плата всё стерпит, поэтому схема была собрана и опробована.

Сразу выявились недостатки. Ток через транзистор сильно зависел от напряжения питания, что ни разу не напоминает генератор стабильного тока . Что там умудрился подбирать автор схемы, питая при этом прибор от аккумулятора, остаётся большой загадкой. По мере разряда аккумулятора «образцовый» ток будет уплывать и довольно заметно. Потом пришлось повозиться в «умощнителем» на выходе ОУ иначе схема неустойчиво работала при измерении транзисторов разной мощности. Потребовалось подобрать значение резистора, а потом я перешёл на более «классический» вариант умощнителя. А двухполярное (правильное) питание ОУ решило проблему с плавающим током.

В итоге схема приобрела вид:

Увеличение по клику

Но тут выявился ещё один недостаток – если вы перепутаете проводимость биполярного транзистора (включите на приборе «p-n-p», а подключите транзистор «n-p-n»), а при подборе из большого количества транзисторов вы точно рано или поздно забудете переключить прибор, то выходит из строя один из транзисторов «умощнителя» и придётся заниматься ремонтом прибора. Да и к чему нам сложности с двухполярным питанием, операционник, умощнитель и прочее?

Всё гениальное просто!

Я задался целью сделать что-то попроще и понадёжнее. Идея с источником тока мне понравилась, проводя измерения на фиксированном (заранее известном) токе эмиттера, мы можем сократить необходимое количество измерительных приборов (амперметров).
Тут я вспомнил про свою любимую микросхему TL431 . Генератор тока на ней строится всего из 4-х деталей: Учитывая не очень большую нагрузочную способность этой микросхемы (а на радиатор её крепить крайне неудобно), для испытания мощных транзисторов при больших токах воспользуемся идеей господина Дарлингтона :

Теперь загвоздка – ни в одном справочнике нет схемы источника тока на TL431 и транзисторе «p-n-p» структуры. Решить эту проблему помогла идея не менее уважаемого мною господина Шиклаи :

Да, пытливый глаз заметит, что через токозадающий резистор здесь протекают токи обоих транзисторов, что вносит некоторую погрешность в измерения. Но, во-первых, при значениях коэффициента передачи тока базы транзистора Т2 выше 20, погрешность составит менее 5% , что для радиолюбительских целей вполне допустимо (мы не Шаттл к Венере запускаем).

Во-вторых, если мы всё же запускаем Шаттл, и нам требуется высокая точность, эту погрешность легко учесть в расчётах. Ток эмиттера транзистора Т1 практически равен току базы транзистора Т2, а его-то мы и будем измерять. В результате, при расчёте h21э (а это очень удобно выполнять в программе Excel) вместо формулы: h21э=Iэ/Iб нужно использовать формулу: h21э=Iэ/Iб-1

Для минимизации данной погрешности, а так же для обеспечения нормальной работы микросхемы TL431 в широком диапазоне токов в качестве транзистора Т1 следует отобрать транзистор с максимальным h21э. Так как это маломощный биполярный транзистор, пока не готов наш прибор, можно воспользоваться китайским мультиметром. Мне удалось всего из 5 штук транзисторов КТ3102 найти экземпляр со значением 250.

Так как сегодня в хозяйстве любого радиолюбителя найдётся китайский мультиметр (а то и не один), его-то мы и будем использовать в качестве измерителя базового тока, что позволит нам не городить коммутацию для разных диапазонов базовых токов (у меня мультиметр с автоматическим выбором предела измерений), а заодно исключить из схемы выпрямительный мост – цифровому мультиметру без разницы направление протекающего тока.

Схема имени меня, Шиклаи и Дарлингтона.

Для объединения вышеприведённых схем в одну добавим немного коммутирующих элементов, источник питания и для большей универсальности расширим диапазон эмиттерных токов. В результате получилась вот такая :

Увеличение по клику

При указанных на схеме номиналах расчетный ток эмиттера обеспечивается уже при +4В питающего напряжения, так что это действительно генератор стабильного тока . Ради эксперимента я пару раз подключал транзисторы не той структуры. Ничего не сгорело! Хотя может быть стоило ток побольше задать? Скажу честно, испытаний на выносливость этого прибора проведено мало, время покажет, но начало мне нравится.

В принципе, питать прибор можно даже от нестабилизированного источника, так как стабилизация тока в схеме осуществляется в очень широком диапазоне питающих напряжений. Но! Бывают транзисторы (особенно отечественные), у которых коэффициент передачи тока базы сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер . Чтобы устранить погрешности измерений из-за нестабильной сети, в схеме предусмотрен стабилизированный источник питания. Кстати, именно из-за таких «кривых» транзисторов следует проводить измерения минимум при трёх разных значения тока.

Итак, схема прибора для проверки транзисторов получилась очень простой, что позволяет без проблем собрать этот прибор самостоятельно, своими руками. Прибор позволяет измерять коэффициент передачи тока базы маломощных и мощных биполярных транзисторов «p-n-p» и «n-p-n» структуры путём измерения тока базы при фиксированном токе эмиттера.

Для маломощных биполярных транзисторов выбраны значения тока эмиттера: 2мА, 5мА, 10мА.
Для мощных биполярных транзисторов измерения проводятся при токах эмиттера: 50мА, 100мА, 500мА.
Ни кто не запрещает проверять транзисторы средней мощности при токах 10мА, 50мА, 100мА. В общем, вариантов масса.
Значения эмиттерных токов можно изменить на своё усмотрение путём пересчёта соответствующего токозадающего резистора по формуле:

R= Uо/Iэ ,

где Uо — опорное напряжение TL431 (2,5В), Iэ — требуемый ток эмиттера испытуемого транзистора.

ВНИМАНИЕ: В природе встречаются микросхемы TL431 с опорным напряжением 1,2В (не помню как отличается маркировка). В этом случае значения всех токозадающих резисторов, указанных на схеме, необходимо пересчитать!

Конструкция и детали.

Из-за простоты устройства печатная плата не разрабатывалась, все элементы распаиваются на выводах переключателей и разъёмов. Всю конструкцию можно собрать в корпусе небольшого размера, всё будет зависеть от габаритов применённого трансформатора и переключателей.

При испытании мощных биполярных транзисторов на больших токах (100мА и 500мА) их необходимо закрепить на радиаторе ! Если пластинчатый радиатор смонтировать на одной из стенок прибора или сам радиатор использовать в качестве стенки прибора, то это сделает пользование устройством более удобным. Радиатор, который всегда с собой! Это существенно ускорит процесс испытания мощных транзисторов в корпусах ТО220, ТО126, ТОР3, ТО247 и аналогичных.

Микросхему стабилизатора блока питания также необходимо установить на небольшой радиатор. Диодный мост подойдёт любой на ток 1А и выше. В качестве трансформатора можно использовать подходящий малогабаритный, мощностью от 10Вт с напряжением вторичной обмотки 10-14В.

Опционально: в приборе для проверки транзисторов предусмотрены гнёзда для подключения второго мультиметра (включенного в режим измерения постоянного напряжения на предел 2-3В). Подсмотрел эту идею на одном из форумов. Это позволяет измерить Uбэ транзистора (при необходимости вычислить крутизну). Данная функция очень удобна при подборе биполярных транзисторов одной структуры для ПАРАЛЛЕЛЬНОГО включения в одном плече выходного каскада усилителя. Если при одном и том же токе напряжения Uэб отличаются не более чем на 60мВ, то такие транзисторы можно включать параллельно БЕЗ эмиттерных токовыравнивающих резисторов. Теперь вы понимаете, почему усилители фирмы Accuphase, где в выходном каскаде в каждом плече включено параллельно до 16 транзисторов, стоят таких денег?

Перечень используемых элементов:

Резисторы:
R3 — 820 Ом, 0,25Вт,
R4 — 1к2, 0,25Вт,
R5 — 510 Ом, 0,25 Вт,
R6 — 260 Ом, 0,25Вт
R7 — 5,1 Ом, 5Вт (лучше больше),
R8 — 26 Ом, 1 Вт,
R9 — 51 Ом, 0,5Вт,
R10 — 1к8, 0,25 Вт.

Конденсаторы:

С1 — 100nF, 63V,
C2 — 1000uF, 35V,
C3 — 470uF, 25V

Коммутация:

S1 — переключатель типа П2К или галетный на три положения с двумя группами контактов на замыкание,
S2 — переключатель типа П2К, тумблер или галетный с одной группой контактов на переключение,
S3 - переключатель типа П2К или галетный на два положения с четырьмя группами контактов на переключение,
S4 — кнопка без фиксации,
S5 — сетевой выключатель

Активные элементы:

T3 — транзистор типа КТ3102 или любой маломощный n-p-n типа с высоким коэффициентом усиления,
D3 — TL431,
VR1 — интегральный стабилизатор 7812 (КР142ЕН8Б),
LED1 — светодиод зелёного цвета,
BR1 — диодный мост на ток 1А.

Tr1 — трансформатор мощностью от 10Вт, с напряжением вторичной обмотки 10-14В,
F1 — предохранитель на 100mA...250mA,
клеммы (подходящие доступные) для подключения измерительных приборов и испытуемого транзистора.

Работа с прибором для проверки транзисторов.

1. Подключаем к прибору мультиметр, включенный в режим измерения тока. Если нет режима «авто», то выбираем предел в соответствии с типом проверяемых транзисторов. Для маломощных - микроамперы, для мощных биполярных транзисторов — миллиамперы. Если вы не уверены в выборе режима, поставьте сначала миллиамперы, если показания будут низкие, переключите прибор на меньший предел.

2. Если есть необходимость подобрать транзисторы с одинаковым Uбэ, подключаем к соответствующим гнёздам прибора второй мультиметр в режиме измерения напряжения на предел 2-3В.

3. Подключаем прибор к сети и нажимаем кнопку «Вкл» (S5).

4. Переключателем S3 выбираем структуру испытуемого транзистора «p-n-p» или «n-p-n», а переключателем S2 его тип — маломощный или мощный. Переключателем S1 устанавливаем минимальное значение эмиттерного тока.

5. Подключаем к соответствующим гнездам выводы испытуемого транзистора. При этом, если транзистор мощный, его следует закрепить на радиаторе.

6. Нажимаем на 2-3 секунды кнопку S4 «Измерение». Считываем показания мультиметра, заносим их в таблицу.

7. Переключателем S1 устанавливаем следующее значение эмиттерного тока и повторяем пункт 6.

8. По окончании измерений отключаем транзистор от прибора, прибор — от сети. В принципе, парные транзисторы можно отобрать по близким значениям измеренного базового тока. Если требуется рассчитать коэффициент h21э или построить графики, то следует перенести данные в электронную таблицу Excel или аналогичную.

9. Сравниваем полученные данные в таблице и отбираем транзисторы с близкими значениями.

Вместо эпилога.

Немного замечаний по маломощным биполярным транзисторам (не зря же я для них режимы предусмотрел?).
Почему-то радиолюбители наибольшее внимание при построении усилителей на транзисторах уделяют (и то в лучшем случае) подбору идентичных экземпляров для оконечного каскада.

Между тем, на входе усилителя чаще всего используют дифференциальные каскады или реже двухтактные . При этом напрочь забывается, что для получения от диф. каскада как и от двухтактного по максимуму всех его замечательных свойств транзисторы в таком каскаде также должны быть подобраны !

Более того, для обеспечения максимально близкого температурного режима корпуса транзисторов дифкаскада лучше склеить между собой (или прижать друг к другу хомутиком), а не разносить по разным сторонам платы. Применение во входном каскаде интегральных транзисторных сборок устраняет эти проблемы, но такие сборки порой стоят дорого или просто не доступны радиолюбителям.

Поэтому подбор маломощных транзисторов входного каскада остаётся актуальной задачей, и предлагаемый прибор для проверки транзисторов может существенно облегчить этот процесс. Тем более, что один из выбранных для измерения режимов - ток 5мА, чаще всего и является током покоя первого каскада. А на каком токе проводит измерения китайский мультиметр???

Удачного творчества!

Главный редактор «РадиоГазеты».

Прибор для проверки параметров биполярных транзисторов может быть и самодельным.

Прежде чем вмонтировать транзистор в то или иное радиотехническое устройство, желательно, а если транзистор уже где-то использовался ранее, то совершенно обязательно, проверить его обратный ток коллектора Iкбо статический коэффициент передачи тока h21Э и постоянство коллекторного тока. Эти важнейшие параметры маломощных биполярных транзисторов структур р-n-р и n-р-n ты можешь проверять с помощью прибора, схема и устройство которого изображены на рис. 121. Для него потребуются: миллиамперметр РА1 на ток 1 мА, батарея GB напряжением 4,5 В, переключатель S1 вида измерений, переключатель S2 изменения полярности включения миллиамперметра и батареи, кнопочный выключатель S3 для включения источника питания, два резистора и три зажима типа «крокодил» для подключения транзисторов к прибору. Для переключателя вида измерений используй двухпозиционный тумблер ТВ2-1, для изменения полярности включения миллиамперметра и батареи питания - движковый переключатель транзисторного приемника «Сокол» (о конструкции и креплении переключателя этого типа я расскажу в следующей беседе).

Рис. 121. Схема и конструкция прибора для проверки маломощных биполярных транзисторов

Кнопочный выключатель может быть любым, например подобным звонковому или в виде замыкающихся пластинок, Батарея питания - 3336Л или составления из трех элементов 332 или 316.

Шкала миллиамперметра должна иметь десять основных делений, соответствующих десятым долям миллиамперметра. При проверке статического коэффициента передачи тока каждое деление шкалы будет оцениваться десятью единицами значения .

Детали прибора смонтируй на панели из изоляционного материала, например гетинакса. Размеры панели зависят от габаритов деталей.

Прибор действует так. Когда переключатель S1 вида измерений установлен в положение , база проверяемого транзистора V оказывается замкнутой на эмиттер. При включении питания нажатием кнопочного выключателя S3 стрелка миллиамперметра покажет значение обратного тока коллектора . Когда же переключатель находится в положении , на базу транзистора через резистор R1 подается напряжение смещения, создающее в цепи базы ток, усиливаемый транзистором. При этом показание миллиамперметра, включенного в коллекторную цепь, умноженное на 100, соответствует примерному значению статического коэффициента передачи тока h21Э данного транзистора. Так, например, если миллиамперметр покажет ток 0,6 мА, коэффициент h21Э данного транзистора будет 60.

Положение контактов переключателя, показанное на рис. 121, а, соответствует включению прибора для проверки транзисторов структуры р-n-р. В этом случае на коллектор и базу транзистора относительно эмиттера подается отрицательное напряжение, миллиамперметр подключен к батарее отрицательным зажимом. Для проверки транзисторов структуру n-р-n подвижные контакты переключателя S2 надо перевести в другое нижнее (по схеме) положение. При этом на коллектор и базу транзистора относительно эмиттера будет подаваться положительное напряжение, изменится и полярность включения миллиамперметра в коллекторную цепь транзистора.

Проверяя коэффициент транзистора, следи внимательно за стрелкой миллиамперметра. Коллекторный ток с течением времени не должен изменяться - «плыть». Транзистор с плавающим током коллектора не годен для работы.

Учти: во время проверки транзистора его нельзя держать рукой, так как от тепла руки ток коллектора может измениться.

Какова роль резистора R2, включенного последовательно в коллекторную цепь проверяемого транзистора? Он ограничивает ток в этой цепи на случай, если коллекторный переход транзистора окажется пробитым и через него пойдет недопустимый для миллиамперметра ток.

Максимальный обратный ток коллектора Iкбо для маломощных низкочастотных транзисторов может достигать 20-25, но не больше 30 мкА. В нашем приборе это будет соответствовать очень малому отклонению стрелки миллиамперметра - примерно третьей части первого деления шкалы. У хороших маломощных высокочастотных транзисторов ток Iкбо значительно меньше - не более нескольких микроампер, прибор на него почти не реагирует. Транзисторы, у которых Iкбо превышает в несколько раз допустимый, считай непригодными для работы - они могут подвести.

Прибор с миллиамперметром на 1 мА позволяет измерять статический коэффициент передачи тока h21Э до 100, т.е. наиболее распространенных транзисторов. Прибор с миллиамперметром на ток 5-10 мА расширит соответственно в 5 или 10 раз пределы измерений коэффициента h21Э. Но прибор станет почти нечувствительным к малым значениям обратного тока коллектора.

У тебя, вероятно, возник вопрос: нельзя ли в качестве миллиамперметра - прибора для проверки параметров транзисторов - использовать микроамперметр описанного ранее комбинированного измерительного прибора?

Рис. 122. Схема измерения параметров и S полевого транзистора

Ответ однозначный: можно. Для этого миллиамперметр комбинированного прибора надо установить на предел измерения до 1 мА и подключать его к приставке для проверки транзисторов вместо миллиамперметра РА1.

А как измерить основные параметры полевого транзистора? Для этого нет надобности конструировать специальный прибор, тем более, что в твоей практике полевые транзисторы будут использоваться не так часто, как маломощные биполярные.

Для тебя наибольшее практическое значение имеют два параметра полевого транзистора: - ток стока при нулевом напряжении на затворе и S - крутизна характеристики. Измерить эти параметры можно по схеме, приведенной на рис. 122. Для этого потребуются: миллиамперметр РА1 (используй комбинированный прибор, включенный на измерение постоянного тока), батарея GB1 напряжением 9 В («Крона» или составленная из двух батарей 3336Л) и элемент G2 (332 или 316).

Делай это так. Сначала вывод затвора проверяемого транзистора соедини с выводом истока. При этом миллиамперметр покажет значение первого параметра транзистора - начальный ток стока . Запиши его значение. Затем разъедини выводы затвора и истока (на рис. 122 показано крестом) и подключи к ним элемент G2 плюсовым полюсом к затвору (на схеме показано штриховыми линиями). Миллиамперметр зафиксирует меньший ток, чем Iс нач. Если теперь разность двух показаний миллиамперметра разделить на напряжение элемента G2, получившийся результат будет соответствовать численному значению параметра S проверяемого транзистора.

Для измерения таких же параметров полевых транзисторов с р-n переходом и каналом типа полярность включения миллиамперметра, батареи и элемента надо поменять на обратную.

Измерительные пробники и приборы, о которых я рассказал в этой беседе, поначалу тебя вполне устроят. Но позже, когда настанет время конструирования и налаживания радиоаппаратуры повышенной сложности, например супергетеродинных приемников, аппаратуры телеуправления моделями, потребуются еще измерители емкости конденсаторов, индуктивности катушек, вольтметр с повышенным относительным входным сопротивлением, генератор колебаний звуковой частоты. Об этих приборах, которые пополнят твою измерительную лабораторию, я расскажу позже.

Но, разумеется, самодельные приборы не исключают приобретение промышленных. И если такая возможность у тебя появится, то в первую очередь купи авометр - комбинированный прибор, позволяющий измерять постоянные и переменные напряжения и токи, сопротивления резисторов, обмоток катушек и трансформаторов и даже проверять основные параметры транзисторов. Такой прибор при бережном обращении с ним многие годы будет тебе верным помощником в радиотехническом конструировании.

Несмотря на то, что народ массово кинулся в ламповое и микросхемное усилителе-строение, а на "рассыпухе" - на полевые транзисторы, все еще значительную долю занимают "рассыпные" УМЗЧ на биполярных "выхлопниках". Тем более, подобные аппараты постоянно попадаются для ремонта.

Не вызывает сомнений постулат, что для минимизации нелинейных искажений требуется попарный подбор комплементарных транзисторов по крайней мере по коэффициенту их усиления. Особую важность это приобретает для мощных (сценических) УМЗЧ, в которых используется по несколько запараллеленных "выхлопников".

Если для подбора маломощных транзисторов достаточно "китайских" мультиметров с режимом "бетирования", то для мощных транзисторов (по крайней мере отечественных транзисторов старых разработок), проблема измерения коэффициента их усиления (h 21e) осложняется еще и тем, что он существенно зависит от тока коллектора. Следовательно, измерять h 21e приходится при по крайней мере двух значениях коллекторного тока.

Как-то попались мне для ремонта несколько мощных УМЗЧ, на выходе которых в каждом плече стояло по 4...8 транзисторов КТ864/865. Покупать по несколько коробок с последующим отбором дома - выходило крайне накладно. Поэтому за день по-быстрому собрал "бетник", конструкция которого и приводится, с помощью которого отобрал нужное количество согласованных транзисторов прямо на рынке. Пользуюсь этим прибором уже более 4-х лет. "Полет - нормальный".

Схемотехника "бетника", в принципе, известная. Он представляет собой микросхемный стабилизатор тока с выходным регулирующим транзистором, коллекторный ток которого и стабилизируется. Его h 21e измеряется по току, поступающему в базу транзистора стрелочным измерительным прибором PA1, включенным в диагональ диодного моста, что исключает необходимость коммутации при испытании транзисторов разной структуры. Дополнительный умощняющий каскад на транзисторах VT1-VT2 нужен чтобы не перегружать выход ОУ при тестировании транзисторов с малыми значениями h 21e при большом коллекторном токе. На схеме не показана кнопка, кратковременно подающая питание на всю схему, что позволяет экономить автономные источники питания и защищает измерительный прибор при проверке пробитых транзисторов, при неправильном их подключении или при неправильном выборе проводимости. Двухцветный светодиод VD1 индицирует, кроме наличия питания, и полярность тестируемого транзистора (красный - n-p-n, зеленый - p-n-p).

Измерения проводятся при коллекторном токе 50 и 500 мА, выбираемых переключателем SA3. Измерения h 21e проводятся в трех диапазонах, выбираемых переключателем SA2 с минимальными значениями 10, 30 и 100. Относительным недостатком является обратная и существенно неравномерная шкала измерительного прибора:

Опорное напряжение для стабилизатора тока задается стабилитронами VD2-VD3, включенными встречно-последовательно. Их следует подобрать по одинаковому напряжению стабилизации. В принципе, оптимальным вариантом было бы использование двуханодного термокомпенсированного стабилитрона, но мне они на напряжение стабилизации менее 6,2 В как-то не попадались, а опорное напряжение желательно бы делать поменьше - тогда на испытуемом транзисторе падает большая часть напряжения питания, что тоже важно для правильного измерения (например, h 21e у КТ8101/8102 существенно падает при коллекторном напряжении мене 5 В). Переключение полярности напряжения, поступающего на формирователь опорного напряжения и испытуемый транзистор разных типов производится переключателем SA1.

Номинал эмиттерного резистора R11, задающего коллекторный ток 50 мА, приходится подбирать в зависимости от полученного опорного напряжения:

При этом измерительный мост просто перемыкается накоротко. Номинал эмиттерного резистора R10, подключаемого параллельно R11 для задания тока 500 мА должен быть в 9 раз меньше, чем у R11.

Номиналы резисторов измерительной части рассчитаны для головки на ток 100 мкА сопротивлением 550 Ом. Для других головок их придется пересчитать.

Настройка производится при отключенном от генератора тока диодном мосте. При невозможности точного подбора номиналов низкоомных резисторов ставится ближайшего большего номинала, параллельно которому - более высокоомный, чтобы получить нужное сопротивление.

Питается он от любого сетевого адаптера на напряжение 12…15 В и ток до 500 мА, либо от комплекта батарей на то же напряжение. В оригинальном варианте сетевой трансформатор с выпрямителем и фильтрующим конденсатором встроен прямо в корпус прибора.

Алексей (Киев, Украина) ( )

Предлагаемая приставка к частотомеру для определения расчетным путем индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения для катушек на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить с достаточной для практики точностью начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа.

Для многих начинающих радиолюбителей изготовление и оценка индуктивности катушек, дросселей, трансформаторов становится «камнем преткновения». Промышленные измерители малодоступны, самодельные законченные конструкции, как правило, сложны в повторении и при их настройке необходимы промышленные приборы. Поэтому особой популярностью пользуются простые приставки к частотомеру или осциллографу.

Описания и схемы подобных устройств были опубликованы в периодической литературе . Они просты в повторении, удобны в применении. Но сведения в статьях в части заявленных погрешностей и пределов измерения нередко приводят к ошибочным выводам и искаженным результатам. Так в указано, что приставка позволяет измерить индуктивность более 0,1 мкГн, а погрешность измерения зависит от подбора конденсатора, который в авторской конструкции имеет допустимое отклонение номинальной емкости не более ±1 %. И это при том, что на указанных на схеме транзисторах устойчивая генерация начинается с индуктивностью колебательного контура 0,15…0,2 мкГн (желающие легко могут проверить), а собственная индуктивность выводов от платы до разъема 30 мм оказывается равной 0,1…0,14 мкГн. В другой статье указывается погрешность до 1,5 % от верхнего предела (кстати, обратите внимание, нижний предел 0,5 мкГн с погрешностью 0,9 мкГн ― и это верно, иными словами измерение таких величин носит оценочный характер) как для маленьких, так и больших значений индуктивности, без учета собственной емкости катушек. А такая емкость может достигать соизмеримой с контурной величины и вносить дополнительную погрешность до 10…20 %.

В этой статье сделана попытка в какой-то мере восполнить отмеченный пробел и показать методы оценки погрешности измерений и способы применения действительно простой и полезной конструкции в лаборатории каждого радиолюбителя.

Предлагаемая приставка к частотомеру предназначена для оценки и измерения с достаточной для практики точностью индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн. Она отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения индуктивности на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа. Такую возможность оценят те, кому часто приходится заниматься ремонтом и настройкой аппаратуры при отсутствии схем и описаний.

Для работы с приставкой подходят любые самодельные или промышленные частотомеры, позволяющие измерять частоту до 3 МГц с точностью не менее 3х знаков. Если нет частотомера, подойдет и осциллограф. Точность измерения временных параметров у последних, как правило, порядка 7…10%, что и определит погрешность измерения индуктивности.

Принцип измерения индуктивности основан на известном соотношении, связующим параметры элементов колебательного контура с частотой его резонанса (формула Томсона)

Здесь и далее во всех формулах частота указана в мегагерцах, емкость ― в пикофарадах, индуктивность ― в микрогенри.

При емкости контура Ск = 25330 пФ, формула упрощается

, где Т ― период в микросекундах.

В приставке (ее схема показана на рис. 1 ) используется генератор с эмиттерной связью в

двухкаскадном усилителе, частота гармонических колебаний которого определяется емкостью конденсатора С1 и измеряемой индуктивностью Lx, подключаемой к пружинным зажимам Х1. Так как используется непосредственное соединение базы транзистора VT1 с коллектором VT2, то коэффициент петлевого усиления генератора высок, что обеспечивает устойчивую генерацию при изменении соотношения L/C в широком диапазоне. Коэффициент петлевого усиления пропорционален крутизне используемых транзисторов и может эффективно регулироваться изменением тока эмиттеров, для чего используется выпрямитель на диодах VD1, VD2 и управляющий транзистор VT3. Введение усилителя на транзисторе VT4 с КU= 8…9 позволило снизить амплитуду напряжения на контуре до уровня 80…90 мВ при выходной амплитуде 0,7 В. Эмиттерный повторитель обеспечивает работу на низкоомную нагрузку.

Устройство работоспособно при изменении напряжения питания в интервале 5…15 В, при этом вариации уровня выходного напряжения не превышают 20 %, а уход частоты F= 168,5 кГц (с катушкой высокой добротности, намотанной на сердечнике 50ВЧ при индуктивности L= 35 мкГн) не более 40 Гц!

В конструкции можно использовать в позициях VT1, VT2 транзисторы КТ361Б, КТ361Г, КТ 3107 с любым буквенным индексом, хотя несколько лучшие результаты достигаются с КТ326Б, КТ363; в позиции VT3 ― кремниевые транзисторы структуры р-n-р, например, КТ209В, КТ361Б, КТ361Г, КТ3107 с любым буквенным индексом. Для буферного усилителя (VT4, VT5) пригодно большинство высокочастотных транзисторов. Параметр h21Э для транзистора VT4 ― более 150, для остальных не менее 50.

Диоды VD, VD2 ― любые высокочастотные кремниевые, например, серий КД503, КД509, КД521, КД522.

Резисторы ― МЛТ-0,125 или аналогичные. Конденсаторы, кроме С1, ― малогабаритные соответственно керамические и электролитические, допустим разброс 1,5…2 раза.

Конденсатор С1 емкостью 25330 пФ определяет точность измерения, поэтому ее значение желательно подобрать с отклонением не более ±1 % (можно составить из нескольких термостабильных конденсаторов, например 10000+10000+5100+ 220пФ из группы КСО, К31. Если нет возможности точно подобрать емкость, можно воспользоваться описанной ниже методикой.

В качестве разъема Х1 удобно использовать пружинящие зажимы для «акустических» кабелей. Разъем Х3 для соединения с частотомером ― СР–50-73Ф.

Детали монтируют на печатной плате (рис. 2 ) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.

Чертёж печатной платы в формате lay разработки П.Семина можно

Допустимо использовать навесной монтаж. В качестве корпуса для приставки можно применить любой подходящий по размерам коробок из любого материала. Разместить разъем Х1 необходимо так, чтобы обеспечить минимальную длину соединяющих его с платой проводников. На фото, для примера, показан аккуратно выполненная конструкция от Павла Семина.

После проверки правильности монтажа следует подать питание напряжением 12 В, не подключая катушки к разъему Х1. Напряжение на эмиттере VT5 должно быть примерно равным половине питающего напряжения; если отклонение больше, потребуется подбор резистора R4. Ток потребления окажется близким к 20 мА. Присоедините к разъему Х1 катушку Lx индуктивностью в пределах десятков―сотен микрогенри (точное значение некритично), а к разъему Х3 ― осциллограф или высокочастотный вольтметр. На выходе приставки должно быть переменное напряжение 0,45…0,5 В эфф (амплитудное значение 0,65…0,7 В). При необходимости его уровень можно установить в диапазоне 0,25…0,7 Вэфф подбором резистора R8.

Теперь можно приступить к калибровке приставки , подключив ее к частотомеру.

Это можно сделать несколькими методами.

Если есть возможность измерить с точностью не хуже 1 % катушку на незамкнутом магнитопроводе с индуктивностью порядка десятков-сотен мкГ, то используя ее как образцовую, подберите емкость конденсаторов С1 так, чтобы показания приставки совпали с требуемым значением.

Во втором случае понадобится один термостабильный эталонный конденсатор, емкость которого не менее 1000 пФ и известна с высокой точностью. В крайнем случае, если нет возможности точно измерить емкость, можно применить конденсаторы КСО, К31 с допуском ±2―5 %, смирившись с вероятным увеличением погрешности. Автор использовал конденсатор К31-17 с номинальной емкостью 5970 пФ ±0,5 %. Сначала по частотомеру фиксируем частоту F1 для катушки Lx без дополнительного внешнего конденсатора. Затем присоединяем параллельно катушке эталонный конденсатор Cэт и фиксируем частоту F2. Теперь можем определить реальную входную емкость собранной приставки и индуктивность катушки Lx по формулам

Чтобы можно было пользоваться приведенными в начале статьи упрощенными формулами, нужно подбором группы конденсаторов С1 установить емкость Свх равной 25330±250 пФ. После окончательной корректировки емкости конденсаторов С1 сделайте контрольный замер по приведенной выше методике, чтобы убедиться, что емкость С вх соответствует требуемой.Вручную делать многократные пересчеты долго, поэтому автор пользуется удачной программой расчетов MIX10 , разработанной А. Беспальчиком.

После этого приставка готова к работе. Попробуем оценить ее возможности; для этого проведем несколько опытов.

1. При измерении малых значений индуктивности большую погрешность вносит собственная индуктивность приставки, состоящая из индуктивности проводников, соединяющих разъем Х1 с платой, и индуктивности монтажа. Попробуем ее измерить. Сначала замкнем контакты разъема Х1 прямым коротким проводником. Скрученные провода, идущие к разъему Х1 длиной 30 мм, и перемычка длиной 30 мм образуют один виток катушки. Если в генераторе транзисторы КТ326Б, колебания возникают только при ударном возбуждении контура путем периодичного включения питания; при этом частота F1 = 2,675…2,73 МГц, что соответствует индуктивности 0,14 мкГн (с транзисторами КТ3107Б генерация совсем не возникает). Теперь сделаем из провода диаметром 0,5 мм кольцо диаметром 3 с расчетной индуктивностью около 0,08 мкГн и подключим к Х1. Для генератора на транзисторах КТ326Б частотомер показал значение 2,310 МГц, что соответствует индуктивности 0,19 мкГн. Вариант на транзисторах КТ3107Б генерировал только при ударном возбуждении контура. Таким образом, собственная индуктивность приставки оказалась в пределах 0,1…0,14 мкГн.

Выводы: высокая точность измерений обеспечивается для индуктивности более 5 мкГн. При значениях в интервале 0,5… 5 мкГн надо учитывать собственную индуктивность 0,1…0,14 мкГн. При индуктивности менее 0,5 мкГн измерения носят оценочный характер. Уверенно регистрируемая минимальное значение индуктивности 0,2 мкГн.

1. Измерение неизвестной индуктивности. Допустим, для нее частота F1= 0,16803 МГц, что по упрощенной формуле расчета индуктивности дает 35,42 мкГн.

При проверке с эталонным конденсатором частота F2 = 0.15129 МГц соответствует индуктивности 35,09 мкГн. Погрешность ― менее 1 %.

1. Используя измеренную индуктивность в качестве образцовой, можно оценить входную емкость генератора. Емкость контура состоит из емкости группы конденсаторов С1 и емкости Сген, состоящей из суммы емкости монтажа и емкости, вносимой транзисторами VT1, VT2, т. е. Свх= С1+С ген.

Чтобы определить величину С ген, отключаем конденсаторы С1 и измеряем с используемой индуктивностью частоту F3. Теперь Сген можно рассчитать по формуле

В авторском варианте приставки с транзисторами КТ3107Б емкость Сген равна 85 пФ, а с транзисторами КТ326Б ― З9 пФ. По сравнению с требуемым значением 25330 пФ это меньше 0,4 %, что позволяет применять практически любые высокочастотные транзисторы без заметного влияния на точность измерения..

1. Благодаря большой собственной емкости приставки, при измерении индуктивности до 0,1 Гн погрешность, вносимая собственной емкостью катушек, несущественна. Так при измерении индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора от транзисторных приемников получилось значение L = 105,6 мГн. При дополнении колебательного контура эталонным конденсатором 5970 пФ получилось другое значение ― L=102 мГн, а собственная емкость обмотки Стр= Сизм– С1 = 25822 – 25330 = 392 пФ.
2. Амплитуда на измерительном колебательном контуре величиной 70…80 мВ оказывается меньше порога открывания кремниевых p-n переходов, что позволяет во многих случаях измерять индуктивность катушек и трансформаторов прямо в схеме (естественно, обесточенной). Благодаря большой собственной емкости приставки (25330 пФ), если емкость в измеряемой цепи не более 1200 пФ, погрешность измерения не превысит 5 %.

Так при измерении индуктивности катушки контура ПЧ (емкость контура не более 1000 пФ) непосредственно на плате транзисторного приемника получено значение 92,1 мкГн. При измерении индуктивности катушки, выпаянной из платы, расчетное значение оказалось меньше ― 88,7мкГн (погрешность менее 4 %).

Для подключения к катушкам индуктивности, размещенных на платах, автор использует щупы с соединительными проводами длиной 30 см, скрученных с шагом одна скрутка на сантиметр. Ими вносится дополнительная индуктивность 0,5…0,6 мкГн ― это важно знать при измерении малых величин, для оценки ее достаточно замкнуть щупы между собой.

В заключение еще несколько полезных советов .

Определить магнитную проницаемость кольцевого магнитопровода без маркировки можно по следующей методике. Намотать 10 витков провода, равномерно распределив его по кольцу, и измерить индуктивность обмотки, а полученное значение индуктивности подставить в формулу:

В практических расчетах удобно пользоваться упрощенной формулой для расчета числа витков на кольцевых магнитопроводах

Значения коэффициента k для ряда широкораспространенных кольцевых магнитопроводов по данным В. Т. Полякова приведены в табл. 1 .

Таблица 1

Для широко распространенных броневых магнитопроводов из карбонильного железа индуктивность удобнее рассчитывать в микрогенри, поэтому введем коэффициент m, и формула соответственно изменится:

Некоторые значения для распространенных броневых магнитопроводов приведены в табл. 2 .

Составить подобную таблицу для имеющихся у вас кольцевых и броневых магнитопроводов, воспользовавшись предлагаемой приставкой, не составит большого труда.

ЛИТЕРАТУРА

1.Гайдук П. Частотомер измеряет индуктивность. ― Радиолюбитель, 1996, № 6, с. 30.

1. L-метр с линейной шкалой. ― Радио, 1984, № 5, с. 58, 61.
2. Поляков В. Катушки индуктивности. ― Радио, 2003, № 1, с. 53.
3. Поляков В. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. ― М.: Патриот, 1990, с. 137, 138.
4. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. /Терещук Р. М. и др./ ― Киев: Наукова думка, 1987, с. 104.

С.Беленецкий, US5MSQ Луганск Украина Радио, 2005, №5, с.26-28

Обсудить статью, высказать свое мнение и предложения можно на форуме