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Transistortester - und mehr als das

Für ein Messgerät bin ich schnell zu begeistern. Im OV Steyr wurde ein Bausatz für einen Transistortester erstellt, den unsere Nachbarn im Ortsverband Jülich, G16 nachgebaut haben. Auf diesen hatte mich Karl Heinz, DC0KV, schon vergangenes Jahr angesprochen [1]. Die Schaltung geht auf Markus Frejek zurück [2]. Die Teile hatte ich dann schon im April 2012, aber dann lagen sie erst einmal und andere Projekte kamen dazwischen. Im neuen Jahr habe ich den Transistortester endlich in Angriff genommen. Bild 1 zeigt die Schaltung nach einem Plan von G16.

Bild 1: Schaltplan des Transistortesters des OV Steyr in der Variante von G16. Die Funktionsweise der Schaltung und des Programms ist im Detail in [2] beschrieben. Bild 2 zeigt die fertig bestückte Platine.

Bild 2: Bestückte Platine des Transistortesters. In der Mitte ist der AVR Mikrocontroller von Atmel, Typ Atmega 8 zu sehen, der in einer 28-poligen Buchse sitzt. Die Versorgungsspannung wird rechts oben eingespeist (sw, rt, + 9V). Bauteil U2, 78L05 stabilisiert die 5 V Versorgung für den Controller. Unten rechts wird über einen 10-poligen Wannenstecker die Kabelbuchse mit dem Flachbandkabel für das LCD-Display angeschlossen. Das zu prüfende Bauteil wird an die Anschlussstellen 1, 2 und 3 (Mitte, links) angeschlossen. Im Bild ist versuchsweise ein Transistor eingesteckt.

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Das LCD-Display, Typ LCD TC1602E-01, stellt in zwei Zeilen bis zu jeweils 16 Zeichen dar [3]. Bild 3 zeigt die Abmessungen und die Pinbelegung des Displays.

Bild 3: Abmessungen und Pinbelegung des LCD-Displays [3]

Die Pinbelegung der Pfostenbuchse für das 10-polige Anschlusskabel zeigt Bild 4. Die Zuordnung der Anschlüsse der Pfostenbuchse zum LCD-Display ist in Tab. 1 angegeben.

Bild 4: Pinbelegung der Pfostenbuchse für das 10-polige Anschlusskabel zum LCD Display.

Tab. 1: Anschlussbelegung und Farbzuordnung für Pfostenbuchse, Flachbandkabel und LCD-Display Buchse Nr. Farbe des

Flachbandkabels Pos. Nr. LCD Bemerkung

1 braun 2 - VSS Masse 2 rot 1 - VDD + 5 V 3 orange 11 - DB4 4 gelb 12 - DB5 5 grün 13 - DB6 6 blau 14 - DB7 7 violett 5 - R/W 8 grau 4 - RS 9 weiß 6 - E 10 schwarz ./. nicht verwendet

Einen ersten Test mit der fertig aufgebauten Schaltung zeigt Bild 5. Über den Taster wird die Messung ausgelöst. Die rote Leuchtdiode leuchtet auf und auf dem Display erscheint die Meldung "Test läuft ... ". Nach ca. 1 s wird das Ergebnis für eine Dauer von etwa 10 s

1 2

3 4

5 6

7 8

9 10

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angezeigt. Für das Beispiel von Bild 5 ist dies der Typ des Transistor NPN, die Zuordnung der Anschlüsse Basis, Kollektor und Emitter zu den Anschlusspunkten 1, 2 und 3, die Stromverstärkung hFE sowie die Basis-Emitter Flussspannung Uf in mV.

Bild 5: Erster Test mit dem Transistortester. Zu sehen sind die Komponenten: 9 V Block-batterie, Taster, Leuchtdiode, Mikrokontrollerplatine und LCD-Display.

Tabelle 2 zeigt die Anzeige des Transistortesters und die Messbereiche für die jeweiligen zu prüfenden Bauteile. Tab. 1: Bauteile, Anzeige des Transistortesters und Messbereiche [2]

Bauteil Anzeige Messgrößen NPN-Transistor NPN hfe, Uf PNP-Transistor PNP hfe, Uf

N-Kanal-MOSFET(enhancement type) N-E-MOS Gateschwellspannung, Gatekapazität

P-Kanal-MOSFET(enhancement type) P-E-MOS wie vor N-Kanal-MOSFET(depletion type) N-D-MOS wie vor P-Kanal-MOSFET(depletion type) P-D-MOS wie vor N-Kanal-JFET N-JFET P-Kanal-JFET P-JFET Thyristor Thyristor Triac Triac Doppeldiode, gemeinsame Anode Doppeldiode CA Doppeldiode, gemeinsame Kathode Doppeldiode CC 2 antiparallele Dioden 2 antiparallel Diode 2 Dioden in Serie 2 Dioden in Serie einfache Diode Diode Widerstand Widerstand 5 Ω - 910 kΩ Kondensator Kondensator 200 pF - 7,35 mF

Wie schon beim Elektroskop und Klatschschalter habe ich als Gehäuse ein Produkt von Kemo Electronic gewählt mit einem transparenten Deckel [4]. Die äußeren Abmessungen sind: 120 x 70 x 30 mm3. Bild 6 zeigt, dass die Komponenten des Transistortesters gerade so hineinpassen. Durch den transparenten Deckel kann direkt das LCD-Display betrachtet werden. Die Platinen sind über metrische Schrauben montiert, deren Schraubenköpfe mit Zweikomponentenkleber auf die Gehäuseunterseite geklebt wurden. Da die LCD-Platine über die Platine der Prüfschaltung mit dem Mikrokontroller ragt, werden nur drei Befestigungsschrauben verwendet. Die Halterung ist auch damit hinreichend stabil.

Die Prüfanschlüsse für das zu testende Bauteile werden einmal als zwei übereinander liegende Reihen von je drei Buchsen (von links nach rechts als Anschlüsse 1, 2 und 3 bezeichnet) herausgeführt und ergänzend auf eine 3,5 mm Stereo-Klinkenbuchse geführt, siehe Bild 6. An dieses kann ein Messkabel angeschlossen werden, um auch größere

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Bauteile zu prüfen. Bild 7 zeigt eine Messung mit dem externen Kabel. Zur einfachen Orientierung sind die Farben dieses Kabels wie folgt den Anschlussnummern zugeordnet: Anschluss 1 - braun, 2 - rot und 3 - gelb.

Bild 6: Transistortester im Kemo-Gehäuse mit transparentem Deckel. Im Bild unten ist von links nach rechts zu sehen: 3,5 mm Klinkenbuchse, Anschlussbuchsen für Prüfobjekt - hier mit einem angesteckten Transistor als Prüfling - und der Taster zur Auslösung einer Messung.

Bild 7: Transistortester mit externem Messkabel, das an die 3,5 mm Klinkenbuchse angeschlossen wird, zum Prüfen größerer Bauteile.

Als erstes habe ich Wiederholmessungen an einem pnp-Transistor des Typs BC 559C durchgeführt. Der Transistor wird in die drei Buchsen eingesteckt und mehrmals hintereinander wird eine Messung ausgelöst. Weiterhin wird der Transistor wieder abgezogen und erneut eingesteckt und wieder gemessen. Nach zwanzig Messungen ergibt sich folgendes Ergebnis (Mittelwert und Standardabweichung): hFe = 454 ± 5,8, Uf = (790 ± 4,3) mV. Die relativen Fehler dieser Wiederholmessung sind für die Stromverstärkung 1,3 % und für die Flussspannung 0,5 %.

Bleibt der Transistor eingesteckt und wird kurz hintereinander mehrmals gemessen ohne den Transistor aus der Buchse zu nehmen, so zeigt sich, dass der Wert für hFe sukzessiv etwas abnimmt. Erst bei einem erneuten Herausnehmen und wieder einstecken steigt die Anzeige auf den ursprünglichen größeren Anfangswert. Woher dieser Effekt rührt, konnte ich bislang nicht herausfinden. Ein thermischer Effekt ist auszuschließen, da die geringfügige Abnahme

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von hFe bei aufeinander folgenden Messungen - ohne dazwischen den Transistor aus den Buchsen zu nehmen - auch bei längeren Pausen von bis zu einem Tag zwischen zwei Messungen auftritt.

Tabelle 2 zeigt beispielhaft eine Serie von Messungen an Silizium und Germanium pnp-Transistoren aus meinem Bauteilefundus.

Tab. 2: Messungen an pnp-Transistoren und Vergleich mit Datenblattangaben.

Bauteil Typ <hfe> Datenblatt hfe

<Uf>

[mV]

Datenblatt VBE(sat)

[mV]

Bemerkung

557C pnp 454 470 790 750 Ic = -10 mA dc, VCE = - 5 V, [5] 559C pnp 480 470 797 750 Ic = -10 mA dc, VCE = - 5 V [6],

Fig. 2 AC105 pnp, Germanium 31 45 245 [7], Radiomuseum [8].: 33 AC 150 pnp, Germanium 68 55 - 140 279 [8] 2SB77 pnp, Germanium 61 85 304 Ic = -50 mA, VCE = - 1 V [9] 2SB54 pnp, Germanium 535 80 - 300 314 Ic = -1 mA [10] 2SA12 pnp, Germanium 35 56 343 Ic = -1 mA [11] ASY 26 pnp, Germanium 40 30 - 80 314 [12] 2SB75 pnp, Germanium 531 55 -75 289 [13]

In den Datenblättern sind zum Teil die Prüfbedingungen zur Bestimmung von hFe

angegeben. Diese werden i.A. von den Prüfbedingungen des vorliegenden Transistortesters abweichen. Für die meisten Bauteile in Tab. 2 stimmen die gemessenen Werte in etwa mit den Datenblattangaben überein. Bei den Bauteilen 2SB54 und 2SB75 sind die gemessenen Werte deutlich höher.

Tabelle 3 zeigt Ergebnisse von Messungen an npn-Transistoren.

Tab. 3: Messungen an npn-Transistoren und Vergleich mit Datenblattangaben.

Bauteil Typ <hfe> Datenblatt hfe

<Uf>

[mV]

Datenblatt VBE(sat)

[mV]

Bemerkung

548C npn 521 520 770 700 Ic = 2 mA dc, VCE = 5 V [14] BCY 58X npn 468 500 780 700 Ic = 2 mA dc, VCE = 5 V [15] BC 547C npn 475 520 785 700 Ic = 2 mA dc, VCE = 5 V [14] BC 546A npn 217 180 810 700 Ic = 2 mA dc, VCE = 5 V [14] BC 547B npn 297 290 829 700 Ic = 2 mA dc, VCE = 5 V [14]

135 C npn 97 85 731 680 Ic = 10 mA dc, VCE = 2 V [16] ./. npn 13 5 - 70 595 TO-3 Gehäuse, s. Bild 7; ev.

der Typ 2N3055

Bei einem N-JFET, Typ BF 256 C liefert der Transistortester die Pinbelegung, allerdings kann er zwischen Drain und Source nicht unterscheiden [17]. Den Gate-Anschluss zeigt er immer richtig an.

Tabelle 4 zeigt Messungen an verschiedenen Dioden. Aus der guten Übereinstimmung mit Datenblattangaben in denen Durchlasskennlinien angegeben sind, kann auf einen Vorwärtsstrom bei der Bestimmung der Flussspannung von ca. 5 mA geschlossen werden. Tab. 4: Messungen an Dioden

Bauteil Typ <Uf>

[mV] Datenblatt

VF [mV]

Bemerkung

OA 81 Germanium 883 900 25 °C, If = 4,5 mA [21]

OA 161 Germanium 947

OA 5 Germanium 343 350 25 °C, If = 5 mA [22]

FDH 300 785 750 If = 5 mA [23]

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BA 108 Diode 706 BAS 40 Schottky Diode 392 400 25 °C, If = 5 mA [18] 1N4148 Silizium

Planardiode 716 750 25 °C, If = 5 mA [19]

AA119 Ge Punktkontaktdiode

927 900 gold bonded Ge diode, bei If = 4 mA [20]

Der Transistortester kann auch Widerstände und Kapazitäten messen [2]. Zum Vergleich der Richtigkeit habe ich eine Reihe von Widerständen mit meinem Multimeter PeakTech 3315 gemessen und diese mit den Messwerten des Transistortesters verglichen. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse. Der Transistortester zeigt tendenziell geringfügig geringere Werte an als das PeakTech Gerät. Ab ca. 226 kΩ wird kein Ergebnis mehr angezeigt. Tab. 5: Messungen an Widerständen, die Fehlerangabe ± 1,2 % und ± 1 % bezieht sich auf die Daten des PeakTech Multimeters.

Widerstand Soll [Ω]

Transistortester [Ω]

PeakTech 3315 [Ω]

Fehlerangabe; Bemerkung

100 100 100,1 ± 1,2 %; Präzisionswiderstand MPR 100, 0,1 % [14]

2 2,5 41 41,0 27 28,2 11 11,4 53 53,4 56 57,3

Soll-Wert mit Parallelschaltung des 100 Ω Präzisionswiderstands und einem Zehngangpotentiometer 1 kΩ [14] eingestellt

132 132,5 163 163,5 211 211,3 286 287,6

nur Zehngangpotentiometer 1 kΩ

407 408 504 505 609 610 699 701 779 782 890 892 956 960 1024 1,026 k

± 1 %; nur Zehngangpotentiometer 1 kΩ

2535 2,560 k 5446 5,47 k 14106 14,16 k 20,1 k 20,87 k 34,5 k 35,7 k 53,7 k 55,0 k 115,6 k 118,3 k

± 1 %; Potentiometer 470 kΩ

177,9 k 181,5 k 219,8 k 224,4 k 221,8 k 226,0 k

± 1 %; Potentiometer 470 kΩ

./. 231,4 k zeigt Kondensator an, 77,4 µF ./. 233,5 k zeigt Kondensator an

Bild 8 zeigt die Ergebnisse von Tab. 5 im oberen Diagramm in doppellogarithmischer Darstellung, da die Widerstandswerte mehr als fünf Dekaden umfassen, sowie die prozentuale Abweichung der Ergebnisse im unteren Diagramm. Die Messwerte lassen sich durch eine Fitkurve mit einem Polynom vierten Grades anpassen (blaue Linie im oberen Diagramm in Bild 8). Das Bestimmtheitsmaß erreicht den Idealwert R

2 = 1. Für Widerstände zwischen 100 Ω und 15 kΩ beträgt die Abweichung < 1 %, zwischen 10 Ω und 220 kΩ < 4 %.

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1 10 100 1000 10000 1000001

10

100

1000

10000

100000

rela

tive

Abw

eich

ung

Tra

nsis

tor-

test

er-P

eakT

ech

[%]

Transistortester Fitkurve Polynom 4.-Grades

M

essu

ng T

rans

isto

rtes

ter

[Ω]

Messung PeakTech [Ω]

1 10 100 1000 10000 100000

0

2

4

6

8

10

Messung PeakTech [Ω]

Bild 8: Ergebnisse der Widerstandsmessung mit dem Transistortester als Funktion der Messergebnisse des PeakTech 3315 Multimeters entsprechend den Daten von Tab. 3 (oberes Diagramm) und relative Abweichung der Messergebnisse in Prozent (unteres Diagramm).

Als nächstes habe ich mir die Messung von Kondensatoren vorgenommen, siehe Tab. 6. Unterhalb von 100 pF zeigt der Transistortester nichts an. Oberhalb von 0,1 nF sind die Messergebnisse stets deutlich größer als die Nominalwerte (erste Spalte in Tab. 6) und als die Messergebnisse des PeakTech Geräts. Tab. 6: Messungen an Kondensatoren mit dem Transistortester und dem PeakTech Multimeter. In der Soll-Spalte sind die Angaben auf den jeweiligen Kondensatoren aufgeführt. Die Fehlerangabe ± 4 % in der letzten Spalte bezieht sich auf die Daten des PeakTech 3315 Multimeters.

Kapazität Soll [F]

Transistortester [F]

PeakTech 3315 [F]

Fehlerangabe; Bemerkung

47 p ./. 53 p Farbcode 0,19 n 102 p 100 p 0,19 n 106 p ± 4 % bis 400 µF 102k 1,57 n 1,07 n 4700 p 7,24 n 5,04 n 4700 p 7,21 n 5,01 n 5 nKF 6,18 n 4,39 n 10000 p ± 10 %

14,57 n 9,99 n

22000 p ± 10 %

33,80 n 22,96 n

0,1 µ ± 10 % 147,47 n 99,8 n 1 µ F 1,37 µ 0,928 µ 2 µF 4,25 µ 2,69 µ 22 µ F 31,07 µ 21,28 µ 220 µ 308,49 204,8 µ 1000 µ 1537,56 µ 0,963 m

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Bild 9 zeigt eine graphische Darstellung der Messergebnisse. Das obere Diagramm zeigt die Ergebnisse des Transistortesters als Funktion der Messergebnisse des PeakTech Multimeters in doppellogarithmischer Auftragung. Eine systematische Abweichung mit hoher Korrelation zu den PeakTech Werten tritt auf. Im Mittel zeigt der Transistortester für Kapazitätswerte zwischen 1 nF und 1 mF um den Faktor 1,48 ± 0,06 zu große Werte an. Wird diese systematische Abweichung korrigiert, indem die Anzeigewerte durch 1,48 dividiert werden, so resultiert die im unteren Diagramm von Bild 9 gezeigte relative Abweichung (diese Korrektur ließe sich natürlich ohne weiteres in das Mikrocontrollerprogramm einbauen).

10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 10710-2

10-1

100

101

102

103

104

105

106

107

rela

tive

Abw

eich

ung

korr

igie

rte

Tra

nsis

tort

este

rmes

sung

-Pea

kTec

h [%

]

Transistortester

Mes

sung

Tra

nsis

tort

este

r [n

F]

Messung PeakTech [nF]

10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107-10

-5

0

5

10

Messung PeakTech [nF]

Korrektur: Anzeigewert TT/1,48

Bild 9: Ergebnisse der Kapazitätsmessung mit dem Transistortester (TT) als Funktion der Messerge-bnisse des PeakTech Multimeters entsprechend den Daten von Tab. 6 (oberes Diagramm) und relative Abweichung der korrigierten Messerge-bnisse des Transistor-testers in Prozent.

Die Abweichungen betragen im Bereich von 1 nF bis 1 mF weniger als ± 7,5 %. Unterhalb von 1 nF treten deutlich größere Abweichungen auf. Tabelle 7 fasst die Ergebnisse der Messungen an Widerständen und Kondensatoren zusammen. Tab. 7: Messbereiche und Fehler des Transistortesters für Widerstände und Kondensatoren

Bauteil Messbereich Fehler [%] Widerstand 2 Ω - 220 kΩ 100 Ω - 15 kΩ < 1 % 10 Ω - 220 kΩ < 4 % Kondensator 100 pF - 1000 µF 1 nF - 1000 µF < 7,5 %

Die Richtigkeit der Messergebnisse des Transistortesters ist damit in den angegebenen Grenzen gezeigt. Damit steht ein validiertes, kompaktes, multifunktionales Prüfgerät bereit, dass mehr als nur Transistoren, Dioden, FETs etc. misst, sondern auch noch Widerstände und Kapazitäten.

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Bleibt zum Schluss noch die Rückseite des Geräts, siehe Bild 10, auf der ich den Schaltplan mit der Beschriftung der Anschlüsse mit doppelseitiger Klebefolie angebracht habe.

Bild 10: Rückseite des Transistor-testers mit Schaltplan und Beschriftung der Anschlüsse

11.3.2013, Reinhard, DF1RN [1] http://www.adl509.at/portal/technikbeitrage/transistortester/ [2] Markus Frejek, AVR Transistortester, http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Transistortester [3] http://www.pollin.de/shop/dt/OTc1OTc4OTk-

/Bauelemente_Bauteile/Aktive_Bauelemente/Displays/LCD_Modul_TC1602E_01.html [4] http://www.conrad.de/ce/de/product/130229/PASS-UNI-GEHAeUSE-FUeR-EMPFAeNGER-130202 [5] Philips Data Sheet, BC556, BC557, 1999 [6] Philips Data Sheet, BC559, 1997 [7] http://www.datasheetarchive.com, AC105.pdf [8] http://www.radiomuseum.org/tubes/tube_ac105.html [9] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/109427/ETC/2SB77.html, 2SB77.pdf [10] 2SB54.pdf [11] http://www.datasheetarchive.com/2SA12-datasheet.html [12] http://www.datasheetarchive.com/ASY26-datasheet.html [13] http://www.datasheetarchive.com/2SB75-datasheet.html [14] www.rectron.com, BC BC 548C [15] Philips Semiconductors, BCY 58, BCY 59, NPN switching transistors, 1997 [16] Fairchild Semiconductor, BD135/137/139 [17] N-Channel Junction Field-Effect Transistors, Siemens AG, BF 256 A, B, C [18] Siemens, Silicon Schottky Diodes, BAS 40 ..., 5.91 [19] Hitachi, Silicon Epitaxial Planar Diode, 1N4148, Dec. 2001 [20] http://www.datasheetarchive.com/AA119-datasheet.html, April 1967 [21] http://www.datasheetarchive.com/OA81-datasheet.html [22] http://www.datasheetarchive.com/OA 5 [23] Fairchild Semiconductor FDH/FDLL 300/A A/ 333, March 2000