1 Schaltung

Erstellt: DL6GL, 11.01.2015, letzte Änderung 

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Das Prinzip lässt sich am besten anhand des Blockschaltbildes erklären.

Abb. 1.1: Kennlinienschreiber Blockschaltbild.

• Der Microcontroller, ein PIC 18F4520, sorgt für die Steuerung und die Kommunikation mit einem PC/Notebook zur Übernahme der Prüfparameter und zur Darstellung der Kennlinien per USB.
• Das Testobjekt wird mit einer einstellbaren Spannung für Kollektor bzw. Drain, wahlweise mit positiver oder negativer Polarität, 0…+10V bzw. 0…-10V je nach Transistortyp (NPN/PNP bzw. N-/P-Channel) vorgespannt. Diese erzeugen der 10Bit breite R2R-Digital-Analog-Konverter (DAC1), je ein OpAmp für die positive und die negative Spannung, umschaltbar mit einem Relais, und schließlich ein Endverstärker, der bis zu 500 mA liefern kann. Stromfluss über den 1Ω-Widerstand nach Masse.
• Die Aussteuerung des Testobjekts über die Basis bzw. das Gate erfolgt nach dem gleichen Prinzip über den R2R-Digital-Analog-Konverter DAC2 und wiederum zwei OpAmps für positive oder negative Polarität. Mit Relais sind neben der Polarität drei Basisstrombereiche, 0 bis 10µA, 0 bis 100µA und 0 bis 1mA vorwählbar. Bei FETs bzw. MOSFETs ist das eine Spannung von 0…+/-10V. Innerhalb dieser Bereiche wird das Testobjekt angesteuert, um die Kennlinie zu erzeugen.
• Die am Testobjekt anliegenden Spannungen
  - UCD - Kollektor/Drain,
  - UBG - Basis/Gate und
  - UES, der Spannungsabfall am 1Ω Emitter-/Sourcewiderstand
      können den Bereich von -10 bis +10V bzw. -0,5 bis +0,5V umfassen. Für die Umwandlung in einen für die Analog-Digital-Wandler (ADC) des PIC verträglichen Bereich 0 bis +5V sorgen Absolutwert-Präzisionsgleichrichter mit OpAmps.
• Alle Spannungen bzw. Ströme lassen sich mit Trimmern kalibrieren.
• Im Programm des PC/Notebooks werden einerseits die Messparameter für den PIC gesetzt und andererseits die aus den ADC des PIC gewonnenen Messdaten grafisch aufbereitet.

Der ausführlichen Dokumentation in [1] bis [3] ist nichts mehr hinzuzufügen. Deshalb gleich zu den Schaltungsdetails, die sich an den in [2] und [3] vorgeschlagenen Änderungen des ursprünglichen Konzepts von DL4JAL orientieren. Wesentliche Änderungen sind:

• Spannungsversorgung der OpAmps und der Endstufe mit +/-15V statt +/-12V, um mit den Feld-Wald-und-Wiesen-OpAmps TL081 und TL082 einen Aussteuerbereich von +/-10V sicher erreichen zu können. Rail-to-Rail-OpAmps sind damit nicht erforderlich. Messergebnisse hierzu in Abb. 1.2 und 1.3.
• Im Netzteil Verwendung nur eines Brückengleichrichters.
• Neues Layout der Platine, dabei Aufteilung in Zentralplatine mit Controller, USB und OpAmps, Platine für den Endverstärker und Platine für das Netzteil. Alle Platinen sind einseitig und somit mit Amateurmitteln herstellbar. Schönheitsfehler auf der Zentralplatine sind dann diverse Brücken mit 0R-Widerständen oder Draht

Abb. 1.2: Ausgangskennlinie der Endstufe von -14 bis +14V.

Abb. 1.3: Ausgangskennlinie der Endstufe von -11 bis +11V.

Die Excel-Fitgerade durch die Messpunkte in Abb. 1.3 hat einen Idealverlauf y = x bei Ansteuerung mit -11 bis +11V. Die Kennlinien wurden mit +/-15V Versorgungsspannung aus einem Labornetzgerät aufgenommen. Mit einer "steifen" Spannungsversorgung bringt's die Endstufe. Mit dem in Abb. 1.7 gezeigten Netzteil unter Umständen nicht ganz. Siehe hierzu Abschnitt 4.1.

1.1  Controller

Abb. 1.4: Schaltung Controller, USB und R2R-DAC.

Die beiden Digital-Analogkonverter gestatten mit den 10Bit breiten R2R-Widerstandsketten eine Spannungsstufung für die Kollektor-/Drainspannung (DAC1) bzw. für den Basisstrom/die Gatespannung mit einer Auflösung von 2^10 = 1024. Das Prinzip ist hier auf dieser Website erklärt.

Die LED D3 an RC4 zeigt das Lesen von Daten aus dem PIC an; LED D2 an RC5 die Befehlsausführung. Beide sind optional für diejenigen, die sehen wollen, ob sich zwischen PIC und PC/Notebook etwas regt.

1.2  DAC-Verstärker

Abb. 1.5: DAC-Verstärker für Kollektor-/Drainspannung und Basis-/Gate-Strom/Spannung.

Je eine Hälfte von IC3 erzeugt aus der Spannung des DAC1 eine mit den Trimmern P1 und P2 einstellbare Spannung von maximal +10 bzw. -10V. Die Umschaltung besorgt das Relais Rel4 mit einem von Pin RC3 des PIC gelieferten Signal.

Die gleiche Anordnung ist mit IC5 für die Basisstromeinstellung realisiert. Die Maximalwerte der drei mit den Relais Rel2 und Rel3 wählbaren Bereiche 0…10µA, 0…100µA und 0…1mA werden mit den Trimmern P5 bis P7 eingestellt. Die Gatespannung von 0…10V für FETs liefert der 1mA-Bereich. Der PIC schaltet die Relais über Steuersignale aus den Pins RA3, RA5 und RC2.

Alle Relaiskontakte sind in Ruheposition dargestellt. Vorwiderstände in Serie mit den Relaisspulen, z.B. R66 in Abb. 1.5, nehmen den 12V-Relais ein wenig Last aus der 15V-Spannungsversorgung ab.

Die gestrichelt eingerahmte Endstufe ist auf einer gesonderten Platine untergebracht. Sie ist als Komplementär-Endstufe für IC4 aufgebaut, wobei die Gegenkopplung vom Endstufenausgang auf den invertierenden Eingang von IC4 geht. Je nach gewählter Polarität 0…+10V bzw. 0…-10V ist entweder T7 oder T8 aktiv. Beide müssen also nicht gepaart sein. Die Ausgangskennlinien zeigen Abb. 1.2 und 1.3. Alternativen für die BD203/BD204 z.B. BD243/BD244, BD537/BD536 oder BD911/BD912.

Auf die Frontplatte sind zusätzlich die Versorgungsspannungen +/- 15V und Masse an Buchsen herausgeführt, um ggf. auch Dual Gate MOSFETs ausmessen zu können.

1.3  ADC-Messverstärker

Abb. 1.6: ADC-Messverstärker.

Die IC7, IC9 und IC10 sind als Absolutwert-Gleichrichter geschaltet. Sie erzeugen unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung (maximal -10V…+10V) den Betrag der Spannung im Bereich 0…+5V zur Auswertung in der Digital-Analogwandlern (ADC) im PIC-Controller. Ausgewertet werden

• die Spannungen an R70 aus dem Emitter-/Sourcestrom, mit IC6 verstärkt,
• die Spannung an Basis/Gate, hochohmig über den Impedanzwandler IC8
• und schließlich direkt an Kollektor/Drain, wobei mit R89 und R90 der Spannungspegel auf maximal 5V reduziert wird.

Die in den Abb. 1.4 bis 1.6 gezeigte Schaltung ist bis auf den Endverstärker auf der Hauptplatine untergebracht.

1.4  Netzteil

Abb. 1.7: +/-15V, +5V-Netzteil.

C38 und C44 sind mit je 4.700µF etwas überdimensioniert. DL4JAL hat sie bei der +/-12V-Speisung als Puffer gebraucht, um den OpAmps und der Endstufe bei 500mA Volllast einen Spannungshub von +/-10V abringen zu können. R91/R92 sollen dem 7805 ein wenig Last abnehmen. Aus Sicht des Stromverbrauchs von Controller und USB-Baustein von ca. 20 mA hätte es ein 78L05 auch getan. Der 7805 bringt aber mit dem TO220-Gehäuse etwas mehr Kühlfläche mit. Und Platz war genug auf der Platine. Auf alle Fälle sollte er auf möglichst genau 5V selektiert werden für eine exakte ADC-Auswertung der Messspannungen.

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