Transistorkennlinienschreiber (Transistor Curve Tracer) als Bauprojekt

31. März 2021 (aktualisiert am 2. April und 4. April 2021)

Der nachfolgend beschriebene Transistorkennlinienschreiber stellt die Ausgangskennlinienschar von npn- und pnp-Transistoren auf einem Oszilloskop dar und liefert damit mehr Auskünfte über den Zustand eines Transistors als ein Komponententester, der allerdings praktischer in seiner Handhabung ist und ebenfalls in keiner Werkstatt fehlen sollte. Beide Geräte ergänzen sich. Der hier vorgestellte Transistorkennlinienschreiber aus dem Jahr 1989 ist einfach zu bedienen. Die Bauteilebeschaffung ist unproblematisch. Das Gerät arbeitet analog und kommt ohne Firmware, Treiber und Software aus. 

Dieser Kennlinienschreiber ist für npn- und pnp-Transistoren geeignet. Er arbeitet mit einer maximalen Emitter-Kollektorspannung von etwa 8 Volt und liefert einen Kollektorstrom von maximal etwa 300 mA bis die Strombegrenzung einsetzt. Um auch Leistungstransistoren besser untersuchen zu können, wurde nachträglich ein Umschalter eingebaut, um die Transistoren mit höheren Basisströmen versorgen zu können. Die Umbauanleitung für diese Erweiterung ist weiter unten im Text beschrieben.

Erweiterung der Schaltung für FETs: Prinzipiell lässt sich die Schaltung auch erweitern, um alle vier Grundarten (selbstleitende und selbstsperrende p- und n-Kanal-Typen) von Feldeffekttransistoren damit zu untersuchen.  Bei FETs wird eine Spannungsquelle für die Ansteuerung des Gate benötigt. Bipolare Transistoren benötigen allerdings eine Stromquelle. Schließt man an die Stromquelle ein Widerstand an, fällt an ihm eine Spannung ab und somit erhält man eine Spannung, um das Gate anzusteuern. Die Spannungsquelle wird nicht belastet, da durch das Gate praktisch kein Strom fließt. Wie der Umbau genau geht, ist in einer Bachelor-Arbeit beschrieben. Der Link zu ihr steht weiter unten im Text.

Grundprinzip am Beispiel bipolarer Transistoren erklärt: Die Ausgangskennlinie eines Transistors stellt für einen bestimmten Basisstrom IB auf der horizontalen x-Achse die Spannung UCE zwischen Kollektor und Emitter dar. Auf der vertikalen y-Achse ist der Kollektorstrom IC dargestellt. Stellt man mehrere Ausgangskennlinien für verschiede Basisströme gleichzeitig dar, erhält man eine Ausgangskennlinienschar. Wir könnten diese Kennlinienscharen mit Papier und Bleistift, ein paar Multimetern, einer einstellbaren Strom- und einer Spannungsquelle mühselig von Hand erzeugen, was uns die Freude an der Elektronik gründlich vermiesen würde. Es geht mit einem Transistorkennlinienschreiber in  Verbindung mit einem Zweikanaloszilloskop viel eleganter. Unter

https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0203112.htm

sind die Kennlinien eines Transistors erklärt.

Ausgangskennlinienschar eines npn-Transistors mit 8 verschiedenen Basisströmen.
Technisch bedingt stehen die Ausgangskennlinien eines pnp-Transistors immer auf dem Kopf. Es wäre allerdings übertrieben für eine korrekte Darstellung das Oszilloskop auf den Kopf zu stellen.

Der Kennlinienschreiber erzeugt für die Darstellung der Kollektor-Emitter-Spannung UCE ein Trapez- oder Dreiecksignal. Für npn-Transistoren schwankt diese Spannung zwischen 0 und 8 Volt. Für pnp-Transistoren schwankt sie zwischen 0 und -8 Volt.  Das Trapezsignal hat eine Frequenz von etwa 400 bis 600 Hz, damit die Darstellung auf dem Schirm nicht flimmert.

Für die Erzeugung der verschiedenen Basisströme liefert der Kennlinienschreiber ein Treppenstufensignal, das umschaltbar 4 oder 8 Stufen besitzt, was 4 bis 8 verschiedenen Basisströmen entspricht.

Trapezsignal für die Erzeugung der Spannung zwischen Emitter und Kollektor.
Das Treppenstufensignal zur Erzeugung von 8 unterschiedlichen Basisströmen.

Die Schaltung: Das Projekt ist ein Nachbau und wurde in ELEKTOR ELECTRONICS DECEMBER 1989, Seite 60 bis 63, Transistor Curve Tracer, von T. Wigmore veröffentlicht ( siehe entsprechende PDF-Datei auf https://worldradiohistory.com/Elektor.htm ).

Auf niederländisch wurde diese Projekt in der Zeitschrift Elektuur Nr. 314, Dec 1989, Transistor-Curve-Tracer, Seite 44 – 49  ( https://archive.org/details/Elektuur314198912Gen/page/n43/mode/2up ) mit einem Platinenlayout veröffentlicht. Die Platine erleichtert den Nachbau erheblich. Ich habe die Platine mit der Toner-Transfer-Methode erzeugt. Dazu reichen im Prinzip hochglänzendes Katalogpapier, ein Bügeleisen und ein Laserdrucker aus.

Außerdem wurde diese Schaltung im Rahmen einer Bachelorarbeit für die Darstellung von Feldeffekttransistoren erweitert ( http://eprints.utar.edu.my/88/1/EE-2011-0703010-1.pdf ).

Die Schaltung kommt mit klassischen Bauteilen aus, die leicht beschaffbar sind. Es werden neben diskreten Bauteilen zwei ICs  benötigt. Das Treppensignal erzeugt das C-MOS-IC 4024.  Dann wird noch der 4-fach-Operationsverstärker TL084 benötigt, der eigentlich in keiner Bastelkiste fehlen sollte. Für die beiden Endstufentransistoren habe ich irgendwelche aus der Bastelkiste genommen, die mir passend erschienen und einen ähnlichen Stromverstärkungsfaktor hatten.

Beim Aufbau habe ich mich an die Vorgaben aus den beiden Zeitschriften gehalten und keine Modifikationen vorgenommen. Die Schaltung begrenzt den Kollektorstrom auf maximal 300 mA und die maximale Kollektorspannung beträgt 8 Volt. Damit lassen sich bedingt auch Leistungstransistoren messen. Wer will, kann die Schaltung für mehr Kollektorstrom “aufbohren”. Praktisch ist, dass 1 mV auf der y-Achse 1 mA Kollektorstrom entspricht.

Eine Diskussion über dieses und ähnliche Projekte findet auf https://www.wumpus-gollum-forum.de/forum/thread.php?board=54&thread=255&page=1 statt.

Mechanische Umsetzung: Zum Einsatz kam der Leiterplattenentwurf aus der niederländischen Zeitschrift Elektuur, der einem viel Arbeit erspart. Der Netztrafo aus meiner Schrottkiste liefert nach der Gleichrichtung plus minus 12 Volt und nicht 14 Volt wie empfohlen. Dennoch reicht die Spannung aus, die 15 Volt nicht übersteigen darf, da sonst der Vierfach-OP  TL084 zerstört werden würde. Falls der Trafo zu viel Spannung liefert, müsste diese stabilisiert werden. Mein Trafo passte natürlich nicht auf die Leiterplatte, weshalb ich sie seitlich kürzte und den Trafo extern montierte. Eventuell ist der Trafokern leitend mit der Masse zu verbinden, um Störimpulse zu unterbinden.

Das Gehäuse besteht seitlich aus zwei Latten. Der Deckel und der Boden besteht aus dünnem Sperrholz. Vor- und Rückseite bestehen aus 1 mm dickem Aluminiumblech. Die Holzteile habe ich mit der Spraydose lackiert.

Mein Nachbau des Transistorkennlinienschreibers. Die Beschriftung ist noch provisorisch. Sie ist jedoch unverzichtbar für die korrekte Bedienung.
Die noch nicht ganz fertig bestückte Kupferseite der Leiterplatte. Hergestellt wurde die Platine mit der Toner-Transfer-Methode mit Hilfe eines Bügeleisens, Hochglanzkatalogpapier und einem Laserdrucker.
Der erste Test der fertig bestückten Platine.
Ein Jahr später war es dann endlich soweit: Die fertig aufgebaute Leiterplatte hat sich etwas verändert. Ich habe davon abgesehen den Netztrafo auf die Platine zu montieren. Außerdem fehlte mir ein Kippschalter 2 x UM. Diese Aufgabe übernimmt hier ein Relais 2 x UM, das noch auf der Platine Platz fand. Heißkleber hält ihn fest.
Die montierte Frontplatte.
Innenansicht des fertigen Aufbaus mit mehr oder weniger wilder Verdrahtung. Den Trafokern musste ich mit der Masse der Schaltung verbinden. Andernfalls waren HF-Störimpulse zu sehen, die das Oszillogramm leicht vernebelten.
Andere Ansicht des Innenaufbaus. Auf einen Schutzleiter habe hier verzichtet, um Brummschleifen über die beiden BNC-Kabel zum Oszilloskop zu vermeiden. Dafür ist der Netzschalter gut isoliert montiert. Der Netztrafo muss zudem entsprechenden Schutzvorschriften entsprechen. Zur Sicherheit deklariere ich nach meinem eigenen Ermessen meinen Aufbau als Versuchsaufbau, den nur ich handhaben darf.  Obwohl der Netztrafo eine Thermosicherung besitzt und aus einem Uhrenradio für den Dauereinsatz stammt, habe ich das Gerät mit einer Feinsicherung zusätzlich abgesichert.
Eine wilde Verdrahtung vermeidet im Gegensatz zu Kabelbäumen Verkoppelungen durch parallel und dicht an dicht verlegte Drähte.

Praktischer Messbetrieb: Kleinleistungstransistoren lassen sich direkt in eine 5-polige DIN-Diodenbuchse stecken. Die Beschaltung der Buchse ist von links nach rechts Emitter -Basis – Kollektor – Emitter – Basis. Dadurch lässt sich jede Anschlussbelegung bewältigen. Für größere Transistoren habe ich mir einen Adapter mit drei Krokodilklemmen gebaut.

Der Transistorkennlinienschreiber lässt sich sowohl über zwei BNC-Koaxialkabel als auch eine weitere DIN-Diodenbuchse mit dem Oszilloskop verbinden.

Für den praktischen Betrieb sollte ein moderner Komponententester vorhanden sein, mit dem sich die Anschlussbelegung herausfinden lässt. Fatal ist es, wenn PNP und NPN verwechselt werden. Der Transistor wird im verpolten Betrieb im besten Fall spürbar heiß.

Hier ist ein npn-Transistor 2N2222 eingesteckt.
Ausgangskennlinienschar des 2N2222
Mit Krokodilklemmen verbundener Kleinleistungstransistor.
Einen alten Germanium-pnp-Leistungstransistor OC26 konnte mein Komponententester nicht erkennen.
Kennlinienschar des OC26. Durch Speichereffekte des trägen Halbleiters sind die Kurvenzüge beim Abfallen und Ansteigen der Kollektorspannung nicht deckungsgleich.
Ein alter AC153 VI pnp-Germaniumtransistor.
Mein Komponententester erkennt die Anschlussbelegung des AC153 und misst einen Stromverstärkungsfaktor B = 41. Er scheint damit alterungsbedingt defekt zu sein.
Das Ausgangskennlinienfeld des AC 153.
Der klassische 2N3055 npn-Si-Leistungstransistor im TO-3-Gehäuse, wahrscheinlich aus den 1970er- oder 1980er-Jahren. Er war das Arbeitspferd der Elektronik.
Dieser 2N3055 zeigt ebenfalls Unterschiede zwischen den abfallenden und ansteigenden Kollektorspannungen. y-Achse 2mA/Div.
Ein alter NF-Endstufentransistor OC74 aus der Germanium-Transistorsteinzeit, als die NF-Endstufen noch zwei Übertrager hatten.
Mal sehen, was der alte OC74 noch so kann.
Dieser OC74 ist wohl unbrauchbar. Laut Datenblatt solle er ein B von 60 – 150 besitzen. Davon ist nicht mehr viel übrig. Aufgenommen mit 2 mV/Div. Nachträglich hat sich herausgestellt, dass der der Komponententester C und E vertauscht hatte, wodurch sich der geringe Stromverstärkungsfaktor erklärt. Der OC74 ist in Ordnung. Auf dem Schirm ist der Reverse-Betrieb  zu sehen.
Anders herum gedreht, erkennt der Komponententester den OC74 korrekt. Der Kollektor ist durch einen roten Punkt auf dem Transistorgehäuse gekennzeichnet.
Ausgangskennlinienschar des OC74 mit UCEmax = 8 Volt und y-Auflösung 5 mA / Div.
Ein 2SC4934 hat laut dem Komponententester ein B=600.
Ausgangskennlinienfeld des 2SC4934, aufgenommen mit y: 10 mA/Div und x: 1 Volt/Div. Es fließen maximal 80 mA durch den Kollektor.
Im Gegensatz dazu das Ausgangskennlinienfeld eines BD139, aufgenommen mit 1 Volt/Div und 5mA/Div. B=172.
Anschluss eines 200-Ohm-Drahtpotentiometers zwischen dem Kollektor- und Emitteranschluss zu Testzwecken.
Ein Ohmscher Widerstand zeigt eine Strom-Spannungskennlinie als Gerade, was zu erwarten war. Die Gerade reicht bis 8 Volt und 1 mA entspricht 1 mV auf der y-Achse des Oszilloskops. Verkleinert man den Widerstandswert, setzt die Strombegrenzung bei ziemlich exakt 300 mA ein. Anhand der Steigung lassen sich Widerstandswerte ermitteln, wenn man es kompliziert machen will.
Mit Kanonen auf Spatzen geschossen. Ein Tektronix 454 mit seinen 150 MHz Bandbreite ist für diesen Einsatz unnötig. Als Oszilloskop würden solche mit weniger als 1 MHz Bandbreite sicherlich auch gute Ergebnisse liefern.

Ausblick: Ein paar Kleinigkeiten möchte ich noch anpassen. Beim Testen des 2N3055 konnte ich nur eine maximalen Kollektorstrom von 10 mA erreichen, obwohl dieser Transistorkennlinienschreiber mindestens 300 mA liefern kann. Deshalb möchte ich die Basisströme des Treppensignals für Leistungstransistoren mit geringen Stromverstärkungsfaktoren erhöhen.

Weiterhin lässt sich die Strombegrenzung einstellen. Der maximal mögliche Kollektorstrom hängt von der Leistungsfähigkeit des Netztrafos und der beiden Komplementärtransistoren hinter dem TL084 ab. Eventuell denke ich hier eine Darlingtonschaltung zum Einsatz kommen zu lassen, um den Ausgang des TL084 nicht zu überlasten.

Außerdem lässt sich der Kennlinienschreiber für FETs leicht umbauen. Für das Gate des FET wird eine Spannung benötigt. Diese Spannung fällt dann an einem zusätzlichen Widerstand ab, der vom Strom des Treppensignals gespeist wird. Siehe dazu die bereits erwähnte Bachelor-Arbeit.

Für umfangreiche Modifikationen möchte ich meinen jetzigen Aufbau nicht verhunzen, da er erstaunlich gut für die bipolaren Transistoren funktioniert.

Erweiterung für höhere Basisströme: Leistungstransistoren haben einen relativ geringen Stromverstärkungsfaktor. Um solche Transistoren auch mit höheren Kollektorströmen testen zu können, müssen die Basisströme erhöht werden können. Deshalb baute ich einen zusätzlichen Kippschalter ein, mit dem sich die Basisströme etwa um den Faktor 10 erhöhen lassen.

Die teils parallel und und in Serie geschalteten 100k-Ohm-Widerstände R2 bis R6 bestimmen die Höhen der Treppenstufen des Treppensignals für die Erzeugung der unterschiedlichen Basisströme. Es handelt sich durch die Reihen- und Parallelschaltungen zusammengefasst um drei Widerstandswerte von 200 kOhm, 100 kOhm und 50 kOhm.  Schaltet man parallel zu diesen Widerständen 10k-Ohm-Widerstände nach dem gleichen Muster, erhöhen sich die Basisströme etwa um den  Faktor 10. Der C-MOS-Baustein CD4024 kann die notwendigen Ströme noch liefern. Die zusätzlichen Widerstände lasen sich mit einem 3-fach-Schalter zuschalten. Da ich nur einen einfachen Schalter hatte, nahm ich in der Not ein Relais mit 3 Schließkontakten.

Zuschaltbare zusätzliche Widerstände erhöhen die Basisströme des Treppensignals um etwa den Faktor 10.
Die Zuschaltung übernimmt ein Relais 3 x Ein/Aus. Auf der Lochrasterplatte befinden sich die zusätzlichen 10k-Ohm-Widerstände. Das Relais schlummerte über 30 Jahre lang in meiner Elektronikschrottkiste.
Bohrung des Loches für den zusätzlichen Kippschalter. Klebeband schützt vor Kratzern durch rotierende Metallspäne. Ankörnen, Bohren mit 1 mm, 2,5 mm, 5 mm und dann mit der Handreibahle auf 5,5 mm passend aufweiten. Bohren mit hoher Drehzahl und geringem Vorschub.
Alles gut gegangen. Mutter mit Kombizange angezogen. Die Backen der Zange wurden mit Klebeband versehen, damit sich nicht das Aluminiumblech zerkratzen.
Relais eingebaut und verdrahtet.
Verdrahtung an den 100k-Ohm-Widerständen auf der Leiterplatte.
Verdrahtung der zusätzlichen 10k-Ohm-Widerstände auf der Relais-Platine.
Der neue Schalter hat nun auch seine Beschriftung erhalten. Dem Gerät sieht man den Selbstbaucharakter natürlich an. Die Beschriftung ist wichtig, da man sich spätestens nach ein paar Monaten nicht mehr erinnern kann wie der Apparat zu bedienen ist.
Der erste Test mit einem 2N3055.
Auflösung y-Achse 50mA/Div. Der 2N3055 zieht jetzt fast 200 mA Kollektorstrom.
Zum Vergleich mit der niedrigen Stufe des Basisstroms: Auflösung der y-Achse 2mA/Div. Der maximale Kollektorstrom des 2N3055 beträgt hier nur knapp 10 mA.
Die neue Front mit zusätzlichem Kippschalter und teilweiser neuer Beschriftung.

Nachträgliche Stabilisierung der Versorgungsspannungen: Die Schaltung hat leider einen kleinen Schönheitsfehler. Die Ausgangskennlinien flattern etwas auf der rechte Seite 1 mm waagrecht hin- und her. Die Ursache liegt in den beiden unstabilisierten Versorgungsspannungen. Der Entwickler der Schaltung erklärte in seinem Artikel, dass die Schaltung ohne Spannungsstabilisierung auskommt. Das stimmt aber nur in der Theorie. In der Praxis kann das leichte Flattern stören, wenn man den Kennlinienschreiber für Demonstrationszwecke verwenden möchte.

Schaltungserweiterung für die nachtägliche Stabilisierung der Versorgungsspannungen. Das Flattern der Kennlinien war nach dem Eingriff vollständig verschwunden. Man achte auf die unterschiedlichen Anschlussbelegungen der negativen und positiven Festspannungsregler.

Übrigens hilft es nichts die beiden Siebelkos zu vergrößern. Es flattert dann immer noch. Ich habe dann den Kennlinienschreiber mit einem stabilisierten Doppelnetzteil betrieben. Das Flattern war verschwunden. Die Spannung darf zwischen 11 und 15 Volt liegen, also insgesamt zwischen 22 und 30 Volt. Mehr als 15 Volt könnte der TL084 nicht vertragen.

Wenn man die beiden symmetrischen Spannungen stabilisiert, ist man auch flexibler in der Auswahl des Trafos. Am besten nimmt man Festspannungsregler für negative und positive Versorgungsspannungen. Ich habe jetzt einen passenden Trafo mit 15,5 Volt Ueff gefunden, der größenmäßig passt. Festspannungsregler für -15 Volt (7915) und +15 Volt (7815) waren vorhanden und kamen zum Einsatz. Vorsicht bei den Anschlussbelegungen der Festspannungsregler. Sie sind unterschiedlich.

Am besten wäre es das stabilisierte Netzteil auf einer getrennten Platine zu realisieren. Aus Platzgründen musste ich die zusätzlichen Bauteile auf der Unterseite der Platine unterbringen und einige Leiterbahnen durchtrennen. Den neuen Aufbau hatte ich mit geschlossenem Deckel zwei Stunden lang getestet, während ein angeschlossener Transistor maximal 200 mA Kollektorstrom zog.

Test an einem externen stabilisierten Doppelnetzteil. Das Flattern im Bild war verschwunden.
Durchtrennte Leiterbahnen für den Umbau.
Aus Platzgründen mussten die zusätzlichen Bauteile auf der Unterseite der Platine angebracht werden, was wegen der beengten Platzverhältnisse nicht ganz einfach war.
Innenansicht mit dem neuen Netztransformator nach dem Einbau der Spannungsstabilisierung. Das Gehäuse hätte nicht kleiner sein dürfen.

Temperaturverhalten: Der Kennlinienschreiber verträgt kein kapazitiven Lasten. Hängt man zwischen Emitter- und Kollektoranschluss einen Kondensator von 22nF oder größer, entsteht heftige Schwingneigung und die Endstufentransistoren werden heiß. Normalerweise macht man das auch nicht.

Leider wird der neue Netztrafo nach einigen Stunden im Leerlauf 42 °C warm und unter Volllast etwa 50 °C warm. Ich hoffe, das ist noch normal. Oder Windungsschluss?? Es ist irgendein japanischer Typ, den ich mal vor langer Zeit aus einem Radio ausgeschlachtet haben muss. Die Isolationseigenschaften sind hervorragend. Er brummt auch nicht im geringsten. Durch den Trafo heizte sich das Gehäuse innen auf 55 °C auf. Dabei funktionierte die Schaltung noch völlig normal. Dennoch habe ich 42 Belüftungslöcher von 8 mm Durchmesser mit einem Holzbohrer in den Deckel gebohrt. Jetzt sind es nur 36° C im Gehäuse. Zum Glück stören die Belüftungslöcher nicht das Erscheinungsbild. Jedenfalls werde ich den Kennlinienschreiber nicht stundenlang unbeaufsichtigt laufen lassen.

Lüftungslöcher auf dem Gehäusedeckel wurden notwendig. Wann ist das Projekt endlich abgeschlossen?

Der transistor curve tracer am alten russischen C1-94: Es klappt auch mit dem alten C1-94, den ich seit 35 Jahren besitze.

Ein kleiner Halbleitertestplatz.
Es geht sogar noch kompakter. Man achte genau auf die Stellung der  Drucktasten.
Das Schirmbild könnte ehrlich gesagt für eine bessere Ablesung größer sein.
Die 8 Vss sind für die externe x-Achsen-Ablenkung zu viel. Anbindung erfolgt mit einem 1:1-Tastkopf und danach in Serie ein Widerstand 28,4 kOhm in Form eines Potis (470k bis 47k geeignet) zur genauen Einstellung der X-Ablenkung.

Der dritte Netztrafo: Der letzte Trafo wurde mir mit über 50 °C zu heiß, was ich mir nur mit einem Windungsschluss erklären kann. Deshalb baute ich ihn aus und ersetzte ihn durch einen, den ich in einem Steckernetzteil 15 Volt AC / 1 Ampere fand. Dieser wird im Betrieb höchstens 42 °C warm.  Die Umbaumaßnahmen hätte ich mir sparen können, wenn ich die alten Trafos vorher mehrere Stunden getestet hätte.

Einen Kaffeewärmer für die Werkstatt zu bauen, war nicht mein Entwicklungsziel.
In einem alten Steckernetzteil fand ich den passenden Trafo. Beim Aufsägen im Schraubstock mit der Bügelsäge bitte Kriechöl verwenden, damit die feinen Kunststoffspäne nicht umherfliegen und Augenirritationen auslösen, wenn die Plastikpartikel  in der Luft schweben. Schutzbrille verwenden.
Der neue Trafo hält mit Kabelbindern und wird nur maximal 42 °C warm. Platz für Erweiterungen ist auch noch vorhanden.

Netzbrumm: Nach dem Zusammenbau zitterte das Bild etwas bei geringen Basis- und Kollektorströmen. Deshalb verdrillte ich einige Kabel und verlegte sie neu, was kaum Abhilfe leistete. Die Ursache lag darin, dass die BNC-Koaxkabel zwischen Oszilloskop und dem Kennlinienschreiber dicht an einem Steckernetzteil vorbeiführten.

Ich hoffe nur, dass dieses Projekt nun endlich abgeschlossen ist.