Učinkovito testiranje tranzistorjev

14.10.2022

Tranzistorji, ki so bili razviti sredi dvajsetega stoletja, so postali temelj hitrega razvoja elektronike. Z zamenjavo elektronk so začeli obdobje miniaturizacije elektronskih naprav in naprav, ki se še vedno uporabljajo. Podobno kot katerakoli druga komponenta se tudi tranzistor lahko pokvari ali poškoduje. V nadaljevanju je prikazano, kako se preveri pravilno delovanje teh elektronskih komponent.

Osnove o tranzistorju

Na vprašanje, kaj je tranzistor, je najbolj enostaven odgovor, polprevodniška naprava s tremi ali včasih s štirimi pini, ki omogoča ojačevanje električnih signalov in deluje kot naprava za nadzor električnega toka.

Komercializacija tranzistorjev sredi prejšnjega stoletja je popolnoma spremenila razvoj vseh tehnologij, vključno z elektroniko. Zamenjava velikih in energijsko potratnih elektronk s temi miniaturnimi komponentami (tranzistorji reda velikosti nekaj nanometrov) na področju računalniških mikroprocesorjev, je pospešila razvoj tehnologije ter omogočila trenutno raven napredka civilizacije.

Tranzistorji so razvrščeni glede na številne kriterije, med katerimi so najbolj pomembni:

• bipolarni in unipolarni tranzistorji,
• tranzistorji iz germanija in silicija za zelo visoke frekvence (silicijev karbid, galijev nitrid, galijev arzenid),
• tranzistorji nizke ali visoke moči, tranzistorji nizke ali visoke frekvence.

Zadnja dva kriterija se nanašata na materiale, iz katerih so izdelani tranzistorji in osnovne parametre ter nista tako pomembna kot prvi kriterij. Tipologija opisana v prvem kriteriju je ključnega pomena, ker dejansko opredeljuje dva osnovna tipa tranzistorjev, ki se razlikujeta po principu delovanja. To sta unipolarni tranzistor na poljski pojav in bipolarni tranzistor, pri čemer obstajajo še dodatne podskupine tranzistorjev (MOSFET, JFET, IGBT ...), vendar delujejo po istem principu.

Pri tranzistorjih na poljski pojav električni tok teče skozi polprevodnik enega tipa prevodnosti, tako da je izhodni tok funkcija nadzorne napetosti. Princip delovanja je zelo enostaven, pri čemer je polprevodnik opremljen z dvema elektrodama, virom (S) in odtokom (D), pri tem električni tok teče vzdolž polprevodnika, po tako imenovanem kanalu. Dodatna tretja elektroda ali vrata (G) teče vzdolž kanala, ki je pod vplivom uporabljene napetosti in tako spreminja prevodnost kanala, kar ima vpliv na električni tok. Na takšen enostaven način tranzistor na poljski pojav omogoča nadzor električnega toka v določenem vezju.

Bipolarni tranzistorji imajo veliko bolj kompleksno strukturo. Izdelani so iz treh polprevodniških plasti različnih tipov prevodnosti n (negativna) ali p (pozitivna). Razporeditev teh plasti predstavlja dva osnovna tipa bipolarnih tranzistorjev, PNP in NPN. Ne glede na tip bipolarnega tranzistorja so plasti vedno ločene na emiter (E), bazo (B) in kolektor (C). Tranzistor dopušča majhen tok med bazo in emiterjem za nadzor veliko večjega toka med drugima dvema terminaloma. Če je med terminali tranzistorja enosmerni tok, tako da je tip p povezan s pozitivnim terminalom in tip n povezan z negativnim terminalov, steče električni tok in se dobi neko vrsto odprtih vrat. V primeru obrnjene polaritete so vrata zaprta zaradi visoke upornosti, ki preprečuje električni tok.

Zaradi svojih lastnosti ojačevanja se tranzistorji med drugim uporabljajo pri izdelavi različnih vrst ojačevalcev, ki so osnovni strukturni element številnih elektronskih vezij, kot so viri električnega toka, generatorji, stabilizatorji ali elektronski navori, ki se uporabljajo za izdelavo logičnih vrat. Od te točke naprej pa ni daleč do najbolj široke uporabe tranzistorjev, to je izdelava polprevodniških spominov RAM in ROM v mikroprocesorjih. Uporaba tranzistorjev ne bi bila mogoča brez tehnologije integracije oziroma integriranih vezij, kar je postalo zelo široko uporabljeno.

Metode testiranja delovanja tranzistorja

Za preverjanje pravilnega delovanja tranzistorja se lahko uporabi eno izmed dveh najbolj priljubljenih metod, to je preverjanje s klasičnim multimetrom ali uporaba posebej zasnovanega testerja za testiranje delovanja različnih elektronskih komponent, kamor spadajo tudi tranzistorji. Pri uporabi teh metod je treba tranzistor odlotati in odstraniti iz vezja, čeprav, kot je predstavljeno v nadaljevanju, se tranzistorje lahko testira tudi v vezju.

Testiranje tranzistorja z merilnikom

Bipolarne tranzistorje se lahko testira s preklopom multimetra na merjenje upornosti ali s preklopom na test diode, pri čemer se v prvem primeru nastavi mejo na 2 kOhm. V naslednjem koraku je treba določiti, če gre za NPN ali PNP tranzistor, pri čemer je v pomoč tehnična dokumentacija. Če gre za tranzistor tipa PNP in če se ga testira z merjenjem upornosti, so koraki testiranja:

• povezava negativne (črne) sonde multimetra z baznim izhodom in pozitivne (rdeče) sonde najprej s kolektorjem in nato z emiterjem. Če so izmerjene vrednosti v območju 500 do 1.500 Ohm, tranzistor deluje pravilno;
• povezava rdeče sonde na bazo in črne sonde najprej na kolektor in nato na emitor. Če tranzistor deluje pravilno, multimeter v tem primeru pokaže, da je izmerjena vrednost zunaj specificiranega območja;
• obe sondi, pozitivna in negativna, se dotikata pinov tranzistorja, ki sta ekvivalent kolektorja in emiterja. Izmerjen rezultat bi moral biti 1, ne glede na to, ali se uporabi pozitivno ali negativno sondo;
• upornost se meri v obe smeri. Če je rezultat 1 v obeh smereh, kar pomeni, da upornost limitira proti neskončnosti, je tranzistor pokvarjen. Enako pomeni, če je izmerjena vrednost 0 ali blizu 0.

Ob predpostavki, da se testira tranzistor tipa NPN in ob merjenju s testom diode, saj je takšen tip tranzistorja podoben sistemu z dvema vzporedno vezanima diodama, je treba multimeter najprej nastaviti na ustrezen način merjenje ter nato povezati rdečo sondo na bazo in črno na emiter. V tem primeru bi moral merilnik na zaslonu pokazati določeno vrednost enosmerne napetosti, ki se jo primerja s podatki v tehnični dokumentaciji testiranega tranzistorja. Na takšen način se preveri, ali so izmerjene vrednosti med minimalno in maksimalno vrednostjo, ki jo določi proizvajalec tranzistorja. Če je tako, tranzistor deluje pravilno.

Poleg opisanih metod testiranja pravilnega delovanja tranzistorja se lahko izmeri tudi ojačitev toka označeno s h21, vendar mora biti v tem primeru multimeter opremljen s posebno vtičnico za testiranje takšnih elementov. V tem primeru se merilnik preklopi na način delovanja hFE ter vstavi terminale tranzistorja v ustrezno vtičnico, ki je označena z B (baza), E (emiter) in C (kolektor) in na zaslonu odčita dobljeno vrednost enosmernega toka.

Tranzistorji MOSFET in JFET

Tranzistorji MOSFET so lahko zelo zapleteni. Ta tip tranzistorjev se testira tako, da se multimeter nastavi na test diode ter izvede naslednje korake:

• pozitivno sondo se da na odtok in negativno sodno za približno dve sekundi na vrata,
• negativno sondo se za dve sekundi da na vir,
• negativno sondo se da na odtok in pozitivno na vrata,
• pozitivno sondo se da na vir.

Ko je ta kombinacija izvedena, in ko je pozitivna sonda na viru (ne prej), bi se morale na zaslonu multimetra prikazati določene izmerjene vrednosti. Če se vrednosti pojavijo prej, pomeni, da je tranzistor pokvarjen. To pa zato, ker morajo biti vrata izolirana od drugih vezij, tako da se nič ne bi smelo prikazati na zaslonu.

Pri tranzistorjih JFET je metoda testiranja drugačna. Med testiranjem tega tipa tranzistorja je treba upoštevati, da ima nizko upornost med odtokom in virom, medtem ko je kanal takega tranzistorja »preščipnjen« pod vplivom napetosti. Če pride do okvare, se lahko sklepa, da je tranzistor poškodovan in ga je treba zamenjati z novim.

Poudariti je treba, da so unipolarni tranzistorji s poljskim pojavom občutljivi na statično elektriko. Nepazljive ali neustrezne meritve lahko poškodujejo delujočo komponento, kar še posebej velja za tranzistorje tipa IGBT.

Testiranje tranzistorjev s testerjem elektronskih komponent

Večfunkcijski testerji elektronskih komponent so majhne naprave, ki spominjajo na klasične multimetre, ki se uporabljajo za testiranje tranzistorjev, uporov, kondenzatorjev, diod in številnih drugih elementov, ki se uporabljajo v konvencionalni elektroniki. Ti merilniki lahko merijo napetost, upornost in številne druge parametre ter izmerjene vrednosti prikažejo na svojih zaslonih. Običajno so ti merilniki napajani preko baterije napetosti 9 ali 12 V, imajo visoko raven avtomatiziranega delovanja in posebne vtičnice na sprednji strani, tako da so zelo enostavni za uporabo. Enostavna povezava katerekoli sonde s katerimkoli pinom samodejno zazna vse pine, prepozna tip polprevodniškega stičišča, določi tip tranzistorja in testira napetost prevajanja, prekinitveno napetost pri tipu MOSFET, puščanje toka, mejno napetost, upornost ali izmeri ojačenje toka.

Testiranje tranzistorjev brez odstranitve iz vezja

Testiranje učinkovitosti tranzistorja brez odstranitve iz vezja je zelo zahtevno in podvrženo velikemu tveganju napak, ker na rezultate meritev lahko vplivajo drugi elementi na vezju. Da je takšno testiranje merodajno, je zelo pomembno poznavanje sheme sistema in specifikacij posamezni komponent ter medsebojnih vplivov. Kljub temu pa na trgu obstajajo naprave, ki omogočajo preverjanje pravilnega delovanja tranzistorja, ne da bi ga odstranili iz vezja. Pri teh napravah je zelo pomembna tehnična dokumentacija z diagrami, ki prikazujejo pravilno delovanje izbranih komponent.

Nabava osciloskopa s funkcijo testiranja komponent je povezana z visokimi stroški, vendar v primeru profesionalne uporabe je to odlična investicija, saj funkcija testiranja komponent omogoča hitro primerjavo med karakteristikami naprave, ki učinkovito deluje s karakteristikami naprave, ki jo je treba popraviti. Obstajajo idealna diagnostična orodja, ki bistveno skrajšajo čas popravil.

Testiranje tranzistorja z multimetrom ponudnika TME

Katalog podjetja TME zajema številne merilne naprave za merjenje tranzistorjev, ki se jih hitro najde z nastavitvijo filtra na testiranje tranzistorjev in prenosne digitalne multimetre. Tako iskanje prikaže spisek modelov, ki omogočajo izvajanje testov tranzistorjev, tako z uporabo klasičnih sond kot tudi uporabo posebnih vtičnic s pini, ki se uporabljajo za testiranje tranzistorjev tipa PNP in NPN. Na voljo so merilniki različnih blagovnih znamk, kot so Peaktech, B&K Precision, Axiomet ali Uni-T. Vsi izbrani modeli so kompaktne enote s prikazovalnim zaslonom, številnimi izhodi in enostavno označenimi načini delovanja. Številni merilniki so zaščiteni z ohišjem iz plastičnega material, ki absorbira udarce, kar podaljša vzdržljivost naprave.

Več informacij na: https://www.tme.eu