SC Analyzer 2005

Instrumento para teste de Semicondutores

Michel Waleczek

publicado na revista ELEKTOR inglesa de abril de 2005

Quase todos os circuitos eletrnicos contm transistores bipolares, FETs ou diodos. A

maioria dos radioamadores e hobbystas de eletrnica tm uma oferta de tais

componentes retirados de antigas placas de circuitos impressos. Um instrumento que

possa ser usado para identificar os terminais e medir as caractersticas dos

semicondutores , no mnimo, uma ferramenta imprescindvel.

Se a identificao no semicondutor ainda puder ser lida, normalmente possvel

verificar suas caractersticas tcnicas num datasheet. Mas se a identificaes for vaga, ou um cdigo e referncia ou completamente apagada, voc s pode adivinhar. Usando

este instrumento particularmente til, voc pode identificar rapidamente os mais

comumente usados tipos de dispositivos semicondutores (transistores bipolares, JFETs,

MOSFETs e diodos), incluindo componentes SMD. Alm de identificar os terminais, o

instrumento calcula vrios parmetros, tais como HFE para transistores bipolares, V,

IDSS e RDSON para JFETs, a tenso de limite para MOSFETs, e corrente / tenso

inversa e fuga de corrente para diodos. Todas essas informaes so mostradas

claramente num display LCD.

Princpio de Operao

Cada um dos trs terminais de um semicondutor desconhecido dispositivo ligado a

terra ou a uma tenso de +5 volts atravs de resistores de valores conhecidos. Os

seguintes valores de resistores podem ser utilizados: 100 , 1 K, 5K6 e 100 K. Para

cada configurao, trs tenses so medidas atravs de um microcontrolador

PIC16F876. O microcontrolador sempre comea com uma medida rpida e bruta, para

determinar se o componente um transistor bipolar. Isto feito atravs da ligao de

dois ou trs terminais do transistor ligados ao terra, enquanto o terceiro terminal

ligado a tenso de +5 volts atravs de um resistor de 5K6. O microcontrolador mede a

tenso sobre o resistor e armazena o valor medido. Mais duas medies deste tipo so

feitas com diferentes sequncias de terminais, com cada uma das medies feitas na

juno dos resistores de 5K6 e o transistor. Isto produz trs valores que tm uma relao

especfica com o tipo de transistor.

A Tabela 1 mostra os valores que teoricamente deveriam ser medidos para transistores

NPN e PNP. Aqui, o sinal corresponde a uma ligao ao terra atravs de um resistor de

100 , e no sinal de descanso de uma ligao a +5 volts atravs de um resistor de 5K6.

Um transistor NPN d dois valores de cerca de 5 volts e uma de cerca de 0,7 volts,

enquanto um transistor PNP d um valor nico de 5 volts e dois valores de 0,7 volts.

O primeiro teste tambm suficiente para identificar a base do transistor, uma vez que

este terminal cujo valor difere dos valores para os outros dois terminais. Uma vez que o

transistor foi identificado dessa forma, ele testado para o ganho. Como as posies de

emissor e coletor no so conhecidas, o ganho medido para cada uma das duas

combinaes possveis.

O ltimo valor considerado como sendo o maior dos dois valores medidos. Se a

medida de tenso no corresponde a nenhum dos conjuntos na Tabela 1, o dispositivo

submetido a testes especiais para outros tipos de componentes (MOSFET, JFET e

diodo). Para testar se o dispositivo um MOSFET, o ganho medido de forma idntica

para todas as seis possveis combinaes de terminais. No entanto, alguns transistores

bipolares tambm produzir resultados que diferem dos apresentados na Tabela 1. Isso

ocorre principalmente com transistores com uma proteo a diodo entre o coletor e o

emissor. Para este tipo de transistores, o ganho tambm medido em relao a todos os

seis das possveis modalidades.

Limitaes

Para evitar possveis mal-entendidos, temos que dizer de antemo de que o SC

Analyzer 2005 no pode ser utilizado para medir tiristores ou transistores Darlington.

Medindo o ganho em transistores bipolares

Figura 1: configurao de medio dos valores de para um transistor e o limite

de tenso para um MOSFET

As medidas acima descritas foram identificadas na base do transistor, e agora os outros

dois terminais so identificados pela conexo do transistor na configurao de coletor

comum, se for um transistor bipolar, ou em uma configurao Source em srie, se for um MOSFET (veja Figura 1). O ganho do transistor determinado pela medio de VB

e VE. As frmulas para esse parmetro so:

VE = RE ( + 1) (VB RB )

= [(VE RB ) (VB RE )] 1

O circuito pode medir ganho de valores acima de um intervalo de 5 a 999. Um

MOSFET canal N (Figura 1c) podem se distinguir de um transistor bipolar pelo fato de

a sua corrente de Gate ser praticamente zero. Neste caso, o limite de tenso corresponde tenso VCC - VE (para um tipo canal-N). Para ser devidamente identificado pelo

testador, o MOSFET deve ter um limite de tenso inferior a 4,5 volts, e deve ser do tipo

enhancement (que quase sempre na maioria das vezes). O outro tipo de MOSFET, que chamado tipo depletion (esgotamento), pouco ou quase no mais utilizado.

Medindo parmetros de FETs

Transistores de efeito de campo (FETs) podem ser caracterizados por certo nmero de

parmetros, mas aqui estamos apenas interessados em trs deles: VTH (limite de tenso

gate-source), IDSS (corrente de saturao no dreno), e RDSON (resistncia total no estado on). Determinar estes parmetros mais complicado do que simplesmente medir o ganho de um transistor bipolar.

A topologia do circuito pouco adequada para efetuar medies diretas, de forma

indireta um mtodo baseado em um modelo matemtico do FET (o modelo Schichman-

Hodges) usado para determinar os valores das referidos trs parmetros de clculo.

Dos trs principais parmetros do modelo esttico, que utilizado principalmente na

simulao Spice, ele transforma-se que apenas duas so realmente necessrio aqui, uma

vez que o terceiro parmetro () tem praticamente nenhum efeito sobre o ltimo clculo

(ver o quadro Measuring FETs with the Schichman-Hodges model, no artigo original).

Figura 2: Configurao de parmetros para a medio de JFET

A fim de determinar os valores destes dois parmetros, necessrio examinar duas

questes especficas de funcionamento, a fim de obter um conjunto de duas equaes.

No primeiro caso, o FET alimentado em sua regio linear de funcionamento (Figura

2a) pela utilizao do RG para forar VGS1 de aproximadamente 0,6 volts. Alguns

FETs com baixa corrente de saturao podem ser tendenciosos em sua regio de

saturao nesta configurao, e em tais casos, uma variao sobre o circuito mostrado

na Figura 2 utilizada, mas isto no descrito em qualquer outro lugar.

A primeira configurao produz o primeiro conjunto de valores para VDS1, VGS1 e

ID1. O segundo ponto de funcionamento obtido pela configurao do transistor a ser

testado com a tenso de fonte (Figura 2b), que produz um segundo conjunto de valores

(VDS2, VGS2 e ID2). Agora as coisas se tornam um pouco mais complicado, porque o

segundo ponto de funcionamento pode residir na regio linear ou na regio de saturao

regio.

A regio de funcionamento no pode ser determinada at que o limite de tenso VTH

seja conhecido. H, portanto, nenhuma outra escolha do que para calcular o valor de

VTH para cada tipo de regio de explorao e, em seguida, escolher o valor adequado a

partir dos dois resultados, verificando o funcionamento das regies correspondentes.

Figura 3: O circuito Kelvin evita erros devido resistncia interna do

SN74HC4052

As resistncias RSW dos comutadores analgicos so mostradas no diagrama

esquemtico na Figura 3. Elas tm um valor de aproximadamente 65 . Os valores

exatos so determinados utilizando um procedimento automtico de calibrao. A

resistncia de dreno, que de aproximadamente 230 , consiste de um resistor de 100

, a resistncia da chave analgica (65 ), e da resistncia de sada do

microprocessador (65 ).

Outro fator que deve ser tida em mente que a maioria dos FETs so simtricos, o que

significa que o dreno e o supridouro so intercambiveis. Assim, impossvel dizer

diante desses dois terminais, de modo que o testador s pode realmente identificar o

terminal gate. Os terminais do dreno e do supridouro so indicados de acordo com a configurao utilizada para o clculo dos parmetros do transistor. Intercambiar os

terminais do supridouro e do dreno no ir alterar a informao mostrada no display do SC Analyzer 2005, mas os resultados do clculo sempre correspondero ao aos

terminais indicados na ligao.

Diagrama esquemtico

Figura 4: diagrama completo do SC Analyzer 2005

O diagrama esquemtico completo do circuito mostrado na Figura 4. O circuito

consome aproximadamente 6 mA (exceto para o backlight, que consome cerca de 20 mA), e alimentado por uma bateria de 9 V. Um regulador de tenso LM78L05

combinado com trs capacitores de desacoplamento reduz a tenso a exatamente 5 volts,

a fim de alimentar o PIC16F876, o LCD (com backlight) e os trs multiplexadores 74HC4502.

O mdulo do display se comunica com o microcontrolador em modo de 4 bits atravs dos cinco terminais da porta C e o terminal RA5 da porta A. O PIC16F876 clocado

em aproximadamente 1 MHz pela rede formada pelo resistor R10 e pelo capacitor C4.

O PIC16F876 difere do clssico PIC16F84 por ter um conversor A/D interno, que

utilizado neste circuito. O pino de reset pode ser ligado diretamente a +5 volts, uma vez

que o microcontrolador tem uma funo reset automtico. Os trs sinais para controlar o

transistor a ser testado vem de RC4, RC5 e RC6 na porta C. Estes sinais, que tm nveis

de 0 ou 5 volts, so encaminhadas para os trs terminais de teste atravs de trs

terminais analgicos multiplexados, a fim de inserir resistores com valores especficos

entre a sada do microcontrolador e cada um dos terminais do teste.

Os valores da resistncia so determinados pela seleo dos sinais pares RB4 e RB5

para o sinal do lado direito (J1), RA2 e RB2 para o sinal do centro (J2), e RB1 e RB2

para o sinal do lado esquerdo (J3). As tenses presentes nos terminais de teste so

medidas pelo PIC15F876 atravs de entradas analgicas AN0, AN1 e AN3.

Para compensar os efeitos das resistncias internas dos interruptores analgicos quando

efetuam medies, essas medies so feitas utilizando um segundo comutador em cada

74HC4052, em vez de diretamente na leva do desconhecido transistor. O funcionamento

desse arranjo mostrado esquematicamente na Figura 3, com resistor R9 ligado ao

circuito. A resistncia interna da sada do microcontrolador, que de cerca de 30 ,

tambm deve ser levada em conta. Por ltimo, trs capacitores de 1nF fornecem uma

certa filtragem aos sinais medidos.

Software

O software escrito inteiramente em linguagem assembler e preenche uma grande parte da memria do PIC16F876. Cerca de metade do espao ocupado usada para calcular

valores de parmetros para FETs. Se voc quer programar seu prprio

microcontrolador, voc pode baixar o cdigo hexa no site da revista Elektor inglesa

(www.elektor-electronics.co.uk). O arquivo encontrado com o download do PDF para este artigo (abril 2005). Para aqueles de vocs, sem acesso a internet esses arquivos

tambm esto disponveis em disquetes do Reader Services (departamento de atendimento ao leitor), e o cdigo de ordem 0.304.051-11. Naturalmente, voc

tambm pode adquirir o microcontrolador j programado no Reader Services (nmero de ordem 030451-41).

Construo

O layout da placa PCB e a disposio dos componentes so mostrados na Figura 5. Certifique-se de que os soquetes dos integrados, os capacitores eletrolticos, o regulador

de 5 volts e os quatro integrados fiquem montados da maneira correta. Os resistores de

1% podem ser substitudos por resistores metal film de 5%, desde que sejam cuidadosamente selecionados por um multmetro confivel e preciso. Os comutadores

analgicos devem ser do tipo 74HC, pois a resistncia interna dos comutadores normais

da srie CD40XX demasiadamente alta para esta aplicao.

O mdulo do display pode ser montado no lado de cobre da placa de circuito impresso. Para tornar mais fcil para conectar o display, h uma nica linha de 16 pinos sobre a placa de circuito, cuja pinagem corresponde com o conector fmea de 16 pinos das

placas utilizadas na maior parte dos displays LCD. No prottipo da revista Elektor

optamos por utilizar um moderno tipo de display chamado PLED (ver o quadro OLED e PLED no artigo original), mas voc tambm pode usar qualquer mdulo

LCD compatvel com o Hitachi HD44780, apesar de que a sequncia dos pinos pode

diferir do padro utilizado no display desse projeto.

Figura 5: layout das trilhas e disposio dos componentes da placa PCB

Note que a sequncia dos pinos do display utilizado aqui bastante incomum, com os pinos 15 e 16 no fim, localizado prximos ao pino 1. Alm do teste poder utilizar garras

tipo jacar, h tambm o layout de uma placa especial para testes que pode ser conectada placa de circuito principal, o que pode facilitar a leitura de componentes

SMD (diodos e transistores). Utilize trs fios curtos e flexveis para ligar essa placa de

leitura de componentes SMD placa principal do circuito, assegurando-se de que a

sequencia correta seja mantida: (1 para o contato J1, 2 para o contato J2 (no meio) e 3

para contato J3).

Embora isso dificilmente afete as medies, importante identificar os terminais do

semicondutor. O terminal central deve ser sempre ligado a J2. Naturalmente, voc

tambm pode usar cabos flexveis com as garras jacar. A placa de circuito

projetado para se encaixar numa caixa padro com compartimento para uma bateria de 9

volts.

Calibragem

Depois que o testador ligado, uma mensagem de boas-vindas aparece e exibe a verso

do software (SC-2005 Analyzer Elektor Rev. 1.0e). Se voc no ver esta mensagem, tente ajustar o trimpot de ajuste de contraste P1 para melhorar a situao. A primeira

coisa que voc deve fazer calibrar a resistncias internas dos interruptores analgicos.

Se esses valores so conhecidos com a maior exatido possvel, as medies dos

diferentes parmetros de transistor sero mais precisas.

Se esta calibragem no for executada, um valor padro de 65 ser usado para cada

interruptor. Cada vez que o testador for ligado, o software verificar se a calibrao foi feita, e se no tiver sido, a mensagem "Cal error" ser exibida durante aproximadamente um segundo:

O processo de calibrao fcil e executado automaticamente. Para realizar o

procedimento, coloque jumper na posio JP1 enquanto o testador est desligado e curtocircuite todos os trs terminais de teste juntos, em seguida, ligue o testador. A

mensagem Cal remove jump ser exibida no display:

Agora voc deve remover o jumper, e o processo de calibrao ser iniciado. Trs resistncias so medidas uma aps a outra, e seus valores so exibidos sucessivamente.

Em seguida, a mensagem Short RSH XX ir aparecer:

Aps isso, voc pode desligar os trs terminais do teste um do outro, e o aparelho

mudar automaticamente para o modo de teste e exibir a mensagem No component *-*-* (Foto1).

Foto1

A calibrao pode ser realizada sempre que desejar, repetindo o procedimento acima

(desligar a alimentao, ajustar o jumper, e ligar a alimentao outra vez). Se tiver problemas, verifique se os cinco fios de jumpers esto de fato devidamente montados e

soldados no lugar. Certifique-se tambm de que a tenso de alimentao est presente

nos soquetes dos integrados.

Operao

Aps a mensagem de boas vindas mostrando a verso do software (SC-2005 Analyser Elektor Rev. 1.0e), o display deve mostrar as seguintes informaes: a primeira linha mostra o tipo do transistor e o valor de um dos parmetros caractersticos. A segunda

linha mostra a disposio dos terminais do transistor e, se relevante, o valor de um

segundo parmetro.

Transistores bipolares

A primeira linha do display indica a polaridade do transistor (PNP ou NPN), o tipo de material semicondutor (silcio ou germnio), e o parmetro HFE. A segunda linha

mostra a disposio dos terminais e a corrente do coletor. A corrente tem um valor de

cerca de 1,5 a 4 mA, dependendo do ganho.

O SC 2005 Analyzer exibe o tipo de material semicondutor ("Ge" para germnio ou

"Si" de silcio), de acordo com o valor medido de VBE (Foto 2).

Foto2

Se o transistor est parcialmente ou completamente em curto, os terminais associados

ficaro marcados com um 'X' pelo instrumento. Um curto considerado presente se a

resistncia medida entre dois terminais for inferior a 50 (Foto 3).

Foto 3

FETs

Os valores dos parmetros VTH, IDSS e RDSON so mostrados aproximadamente a

cada dois segundos. Os terminais dreno e supridouro so determinados arbitrariamente

pelo SC Analyzer 2005, mas correspondero configurao utilizada para determinar

os parmetros.

Se voc trocar os terminais dreno e supridouro do componente em teste (TUT), voc

pode obter os valores para inverter a configurao, mas, desde FETs tm estruturas

simtricas, no dever existir grandes diferenas entre os valores medidos.

Considerando-se o mtodo utilizado para efetuar as medies, a preciso dos valores

fornecidos pelo SC Analyzer 2005 mais que suficiente. Para IDSS 5%, e para

RDSON 5 . No entanto, o valor medido do limite de tenso pode diferir do valor

real de 0,5 V para determinados transistores, embora em regra ser obtida uma preciso

de 50 mV.

Um tipo particular de FET de um fabricante pode produzir um valor muito prximo do

valor real, enquanto o mesmo tipo de um fabricante diferente mostrar um valor que

diferir por vrias centenas de milivolts. Na prtica, a preciso est relacionada com a

preciso do modelo Schichman-Hodges e revela as limitaes deste modelo (consulte a

introduo sobre este assunto).

Limite de tenso

O limite de tenso negativo para FETs canal-N e positivo para FETS canal-P. O valor

mximo limitado a 20 volts pelo software. A resoluo de 10 mV para valores de at 9,99 V e 100 mV para valores maiores (Foto 4).

Foto 4

Corrente de saturao

A saturao de corrente (com o Gate em curto com o Source) mostrada aqui. O valor

da saturao de corrente varia de 0 a 99,9 mA. A resoluo de 10 A para correntes

at 10 mA e 100 A para correntes at 100 mA (Foto 5).

Foto 5

Resistencia drenosupridouro

Este a resistncia entre dreno e supridouro quando o FET for totalmente 'on' com VGS

= 0 V. A medio tem um range de 0 a 999 (Foto 6).

Foto 6

MOSFETs

A tenso mostrada corresponde ao limite de tenso do MOSFET para a corrente de

dreno de aproximadamente 2 mA. O range de medio de 0 a 4,5 volts, com uma

resoluo de 10 mV. Para a identificao correta do dispositivo como um MOSFET, a

corrente de fuga do gate no deve exceder 0,5 A (Foto 7).

Foto 7

Diodos

Dodos podem ser conectados entre o lado esquerdo e o lado direito dos terminais do

instrumento. O SC Analyzer 2005 indica as posies do anodo e catodo. Trs telas so

exibidas em sequncia em um intervalo de cerca de 2 segundos. A primeira tela mostra

a tenso e a corrente atravs do diodo atravs de um resistor de cerca de 400 . A

corrente mxima assim limitada a cerca de 12 mA (Foto 8).

Foto 8

A segunda tela mostra a mesma informao, mas desta vez com um resistor de cerca de

5K9, o que faz com que a corrente mxima deve ser limitada a cerca de 800 A (Foto

9).

Foto 9

A terceira tela mostra a corrente em sentido inverso e o ensaio de tenso. A resoluo

de 100 nA (Foto 10).

Foto 10

SMDs

Voc provavelmente se perguntou como usar a parte de teste de SMD do instrumento.

Os terminais do componente a ser analisado devem fazer contato com as

correspondentes reas cobreadas sobre a placa de circuito impresso. Diodos SMD

devem ser ligados entre rea 1 e rea 3. Uma pequena vareta de plstico pode ser usada

para pressionar adequadamente o componente SMD contra a placa de circuito impresso

de modo com que seus terminais tenham bom contato.

Concluso

O SC Analyzer 2005 um instrumento prtico, de fcil construo e com grande

nmero de funcionalidades, que pode ser uma ajuda muito valiosa para radioamadores,

hobbystas de eletrnica e profissionais. Um breve resumo de suas aplicaes possveis

incluem a pesquisa de um tipo equivalente, teste de operao do semicondutor, teste de

curtos em semicondutores, medio de semicondutores sem identificao e

simplesmente a rpida identificao dos terminais de um semicondutor sem ter a

necessidade de se consultar um datasheet. Tempo necessrio para aquecer um ferro de solda!

LISTA DE COMPONENTES

Resistores:

R1,R5,R9 = 100 K, 1% (marrom-preto-amarelo-marrom)

R2,R6,R10,R13 = 5K6 (verde-azul-vermelho)

R3,R7,R11 = 1K, 1% (marrom-preto-vermelho-marrom)

R4,R8,R12 = 100 , 1% (marrom-preto-marrom-marrom)

R14 = 47 K (amarelo-violeta-laranja)

R15 = 33 (laranja-laranja-preto)

R16 = 27 (vermelho-violeta-preto) (no est na placa!)

P1 = trimpot de 10 K deitado

Capacitores:

C1,C3 = 10F X 25V radial

C2,C5,C9 = 100 nF (0,1 F -100 n - 104)

C4 = 100 pF (101)

C6,C7,C8 = 1 nF (0,001 F 1 n - 102)

C10 = 10 F 25V radial (no est na placa !)

Semicondutores:

D1 = 1N4007

IC1 = LM78L05

IC2 = PIC16F876-20/SP

IC3,IC4,IC5 = 74HC4052 (apenas HC !)

Miscelnea:

S1 = chave liga/desliga

LCD1 = LCD padro com 2 linhas e 16 caracteres

JP1 = terminal de dois pinos com jumper 3 mini garras jacar *

3 soquetes de pinos torneados para 16 pinos DIL

1 soquete de pinos torneados para 28 pinos DIL

Caixa (no prottipo foi utilizada a Hammond 1591BTBU)

Bateria de 9 volts com terminais

5 fios para jumper Placa PCB, cdigo 030451-1 (veja Readers services em www.elektorelectronics.co.uk )

PIC programado, cdigo 030451-11 ou download gratuito em www.elektor-

electronics.co.uk

* leia o texto

Configurao do microcontrolador O microcontrolador pode ser configurado com as seguintes opes:

oscillator in RC mode

watchdog timer (WDT) disabled

timer reset on power on enabled

brownout reset disabled

EEPROM protection disabled

writing to Flash memory disabled

debug mode disabled

code protection disabled

Outra verso de placa:

O autor deste projeto tambm publicou outra verso para este instrumento, num

artigo chamado Determinator 4001, publicado na edio nmero 282 da revista

francesa Eletronique Pratique. Este artigo, com o cdigo de programao do

microcontrolador e o layout dessa outra verso de placa, muito mais prtica para ser confeccionada por ter trilhas mais grossas do que essa verso da Elektor,

pode ser baixado no site da prpria revista:

http://www.electroniquepratique.com/detail.php?idMg=29&id=303

O Gomes, PY2MG tambm elaborou uma verso para essa placa, poendo

disponibiliz-la pronta aos colegas. O e-mail do Gomes py2mg1@gmail.com

Sobre o autor deste projeto

Michel Waleczek nasceu em 1965 e estudou na cole Nationale Suprieure dlectronique et de Radiolectricit de Grenoble (ENSERG), na Frana. Trabalhou como engenheiro por sete anos no departamento de desenvolvimento e pesquisas de um

grande fabricante francs de equipamentos para balanas. Aps isto passou para a

sucursal francesa da Hameg, onde ocupa o cargo de Diretor de Desenvolvimento. Entre

suas viagens para o outro lado do globo, ele consegue encontrar um pouco de tempo

para projetar instrumentos de medio para hobbystas de eletrnica.

e-mail do autor: m.waleczek@mwinstruments.com