El actual proyecto que abordaremos, no puede faltar en
la mesa de trabajo de un técnico, profesionista o aficionado a la electrónica.
Se trata de un probador automático de semiconductores que nos facilitara el
análisis para conocer si un semiconductor (por ejemplo un transistor) se
encuentra en buenas condiciones, además nos ahorrara tiempo valioso al no tener
que averiguar las principales características de algún transistor desconocido
ya sea en internet o utilizando un método practico; pues como bien sabemos
resulta molesto tener que llevar a cabo aquel proceso constantemente.
La idea surgió ya desde hace algún tiempo pero no fue
hasta que encontré en la red el “ESR Meter / Transistor Tester” (siguiente
figura) que me inspiro a construir un instrumento mejorado, pese a que esta
versión ya cuenta con muchas funciones.
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Figura 1 ESR
Meter / Transistor Tester de Electronics-DIY.com
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Tras analizar el diagrama y comprender el
funcionamiento comenzamos a realizar el código desde cero para el
microcontrolador PIC18F2550, pero después de lograr reconocer transistores
bipolares, resistencias, diodos y capacitores nos dimos cuenta que nos llevaría
mucho tiempo lograr alcanzar nuestro objetivo ya que es necesario programar
muchas condiciones para la correcta detección del dispositivo bajo prueba. Así
que investigando un poco más para facilitar la detección del semiconductor y
realizar el instrumento lo más pronto posible localizamos la página del autor
(en Alemán) en donde hay mucha información acerca del tema y por supuesto el
código en lenguaje C del microcontrolador AVR. Al parecer el proyecto original surgió
de una revista de Elektor llamada “SC Analyser2005”. También nos sorprendimos
al darnos cuenta de que las nuevas versiones del instrumento ya contaba con más
funciones, tales como medición de inductancias y frecuencia, aun así el
objetivo es lograr reproducir el instrumento con el microcontrolador PIC18F2550
empleando parte del algoritmo del autor Karl-Heinz Kübbeler y agregando más
funciones (pasar algunas del Mega-tool). Aunque ciertas partes del código en C
para AVR no son compatibles con el lenguaje del compilador CCS, no será mucho
problema adaptarlo para que logre la misma función. Sin duda nos ahorra mucho
tiempo el trabajar con un código preexisten.
Por el momento el circuito que utilizamos para
realizar las pruebas se presenta en la figura 2, en el cual se han seleccionado
cuidadosamente los pines que se utilizaran para las pruebas de reconocimiento
del semiconductor y también para nuevas funciones. Como se darán cuenta no se
está usando un LCD para mostrar los resultados, en cambio se optó por utilizar
el puerto serie (configurado a 115200 baudios) para desplegar los datos en la
PC (terminal serie del compilador CCS) y
también se utiliza el bootloader serial así es más cómodo realizar las pruebas.
Posteriormente con forme avancemos en el proyecto se ira modificando el esquema
para acomodar el LCD y los botones que sean necesarios, mientras tanto el botón
1 se encarga de comenzar la prueba de identificación de componente y el botón 2
es para activar el bootloader si se presiona durante la conexión de la fuente
de alimentación.
La técnica de identificación consiste en seguir una
serie de pruebas con 6 combinaciones posibles de estados lógicos (tierra positiva
o flotante) en las terminales de salida. Una combinación comienza estableciendo
una terminal de entrega un nivel alto (RA0, RA1 o RA2), otra un nivel bajo con
la resistencia de 680 Ω (RC0, RC1 o RC2) y la última terminal se pone a nivel
flotante (RB2, RB3 o RB4). A partir de esta configuración comienzan la prueba
para identificar el componente desconocido, donde cada pin puede estar en nivel
alto, bajo o flotante. Cabe señalar que aunque cada terminal se forma con tres pines
del microcontrolador de ningún modo pueden tener niveles de tensión contrarios,
es decir, que un pin se encuentre en estado alto y otro en bajo.
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Figura 2 Esquema del probador de semiconductores con
PIC18f2550.
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Antes de mostrar los resultados logrados con el código
traducido de C para micros AVR a C de CCS, es recomendable hablar de los
métodos que se emplean para la detección de los diferentes tipos de
semiconductores; los cuales ya se han traducido al lenguaje C de CCS. No
pretendo llenar esta entrada con los métodos detallados que se utilizan pues
estos se encuentran en la página del autor de la versión del SC-Tester en que
nos basaremos, simplemente será un resumen que nos permitirá comprender
rápidamente el funcionamiento. ¡Comenzemos!
Procedimiento de prueba de transistores
bipolares y transistores MOSFET de acumulación.
Con este mismo examen se pueden diferenciar
transistores bipolares y MOSFET de acumulación (también conocidos como MOSFET
de enriquecimiento) debido a que presentan similitudes, respecto a la tensión
en la resistencia de carga, cuando se activar la base y puerta de los
respectivos transistores.
Para poder realizar esta prueba es necesario que se
cumpla la condición V1 < 1.0 volt con resistencia infinita, es decir, entrada
flotante en la base o puerta. V1 se puede identificar en la figura 3 como la
tensión en la resistencia R1.
Identificación de transistores bipolares PNP y MOSFET canal P
El primer paso consiste de colocar la llave (puerta o
base) del transistor a nivel bajo a través de la resistencia R2 (680 Ω) de la
figura 3. Entonces si V1 > 3.4 volts;
se trata de un transistor PNP o un MOSFET-P, para diferenciarlos ahora la llave
se pone a tierra por medio de R3 (470 kΩ) y si V2 > 1.0 volts es un
transistor PNP de lo contrario es un MOSFET-P.
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Figura 3 Configuración para la prueba de transistor
bipolar PNP y MOSFET-P.
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Si el dispositivo se ha
identificado como un transistor PNP, esta prueba se repite con el colector y
emisor intercambiados. Posteriormente se comparan los resultados obtenidos en
V1 para identificar el patillaje, pues con una conexión invertida la ganancia
es bastante menor. La ganancia (hFE o B) es: (V1/R1) / (V2/R3). Y Uf es: 5 –
V2.
Por otra parte, si se ha identificado un MOSFET-P se
realiza una prueba más para confirmar que se trata de dicho tipo de transistor,
la cual consiste de poner la supuesta puerta a alta impedancia (flotante) y si V1 < 0.1 volts, efectivamente, es un
MOSFET-P.
El siguiente paso es calcular la tensión de umbral
(Vt); para ello se coloca brevemente la puerta a nivel alto con la resistencia
de 680 Ω, posteriormente la puerta se posiciona a nivel bajo solo con la
resistencia de 470 kΩ y se espera hasta que en V1 presente un nivel lógico de
1, al suceder inmediatamente se registra el valor en V2, después restando V2 de
5 se consigue Vt. En el caso de un MOSFET, solo baste una prueba para conocer
el patillaje correcto.
Identificación de transistores bipolares NPN y MOSFET canal N
El proceso es similar al anterior, solo cambian el valor
de las condiciones. Por lo tanto el algoritmo es el siguiente.
Con R2 de la figura 4 a positivo, si se cumple V1 <
2.4 volts entonces: es un transistor NPN o MOSFET-N.
Para diferenciarlos ahora la llave del transistor se
conecta a positivo por medio de R3, si V2 < 2.4 volts se trata de un
transistor NPN, si la condición no se cumple tenemos un MOSFET-N.
El siguiente paso para el transistor NPN es el mismo
que en el caso anterior pero ahora la ganancia es: ((5-V1)/R1) / ((5-V2)/R3). Y
Uf es: V2.
Para esta situación, también se realiza la misma
prueba para confirmar que se trata de un MOSFET-N de acumulación. En cuanto a
la obtención de la tensión de umbral solo se invierte la lógica aplicada del
procedimiento anterior, resultando Vt igual al valor obtenido en V2.
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| Figura 4 Configuración para la prueba de transistor bipolar NPN y MOSFET-N. |
Procedimiento de prueba de transistores
JFET y transistores MOSFET de deplexión.
Los dos tipos de transistores presentas ciertas
similitudes, en consecuencia es conveniente realizar la misma prueba para
ambos.
En este caso, para realizar la prueba de
identificación de transistores JFET y MOSFET
de deplexión (también conocidos como MOSFET de empobrecimiento) debe
existir una mínima continuidad entre el drenador y la fuente con la
configuración 1 de la figura 5, por supuesto con entrada flotante en la puerta.
Es decir, tiene que ser positiva la condición: V1 > 92 mV
Identificación de transistores bipolares JFET canal N
y MOSFET de deplexión
canal N
Ya que se cumplió la condición anterior el siguiente
paso radica en conectar a tierra la sospechada puerta, con la configuración 1
(figura 5) y almacenar el valor de V1 en V1[0] -por ejemplo-, a continuación la
puerta se coloca a positivo y nuevamente se almacena el valor de V1 en V1[1].
Ahora si la relación V1[1] > V1[0] es cierta, entonces se trata de un MOSFET
de empobrecimiento o JFET canal N.
Para diferenciarlos se registra la tensión en la puerta
con la configuración 2 de la figura 5. En el caso que V2 > 3.9 volts se
trata de un MOSFET-N de empobrecimiento de lo contrario es un JFET-N.
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Figura 5 Configuración para la prueba de JFET-N y
MOSFET-N de deplexión.
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Identificación de transistores bipolares JFET canal P
y MOSFET de deplexión
canal P
El procedimiento es casi idéntico, diferenciándose por
el arreglo mostrado en la figura 6 y la lógica invertida, ya que ahora la
puerta se coloca a positivo a través de la 470 kΩ y se almacenar el valor de V1
en V1[0] a continuación la puerta se coloca a tierra almacenándose el valor de
V1 en V1[1]. Ahora si V1[0] > V1[1] se cumple, entonces se trata de un
MOSFET o JFET canal N.
Para distinguirlos se mide la tensión en la puerta con
la configuración 2 de la figura 6. En el caso que V2 < 1 volts se trata de
un MOSFET-P de empobrecimiento de lo contrario es un JFET-P.
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| Figura 6 Configuración para la prueba de JFET-P y MOSFET-P de deplexión. |
Procedimiento de prueba de
tiristores
Con esta prueba se identifica un triac de un SCR. Al
igual que en la prueba de identificación de
transistores NPN y MOSFET-N, también debe de satisfacerse la condición
V1 < 2.4, con la configuración 1 de la figura 7, para iniciar el examen.
Si se cumple el requisito anterior el pin que se sospecha
que es la puerta se manda a tierra y casi inmediatamente de desconecta para
permanecer flotante, a su vez se registra la tensión en V1-1. Lo siguiente es
conectar el probable A2 (ánodo 2) a tierra por un corto periodo para luego
regresarlo a nivel alto y leer el valor en V1-2. Y sí; V1-1<2.4 volt y
V1-2>4.4 volt se confirma la presencia de un SCR o triac.
La identificación del semiconductor involucra 4
pruebas más considerando la configuración 2 en la figura 7.
La primera se realiza tal cual la configuración 2, si
V1> 0.2 volts es un SCR (ya no es necesario las siguientes pruebas).
Para la segunda prueba la posible puerta se conecta a
tierra, si se trata de un SCR este no debe de conducir, por lo que debe de
cumplirse las siguientes relaciones: V1<0.7 y V2<1 (ya no es necesario
las siguientes pruebas).
En la tercer prueba la puerta se pone en estado
flotante y si V1<0.7 es un SCR (ya no es necesario las siguientes pruebas).
Por ultimo si ninguna condición se ha cumplido al
posible A2 se conecta a positivo brevemente y se regresa a tierra. Si V1 >
0.2 el dispositivo es un SCR de lo contrario es un triac.
Si bien el método empleado es correcto, debido a que
la máxima corriente que se puede suministrar a la puerta de 7.3 mA (con
resistencia de 680 Ω ), esta puede ser insuficiente para activar el tiristor,
en consecuencia el instrumento no podrá detectar tiristores cuya corriente de
disparo sea superior.
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Figura 7 Configuración para la prueba de tiristores.
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Procedimiento de prueba de diodos
y resistencias
Estas pruebas se realizan al final del algoritmo. En
el caso de los diodos el método es relativamente sencillo ya que si se presenta
una caída de tensión de entre 0.15 y 4.64 con el arreglo de la figura 8 y si
aún no se ha encontrado algún elemento es muy posible que se trate de un diodo.
Cuando existen 2 o más diodos los resultados se almacenan en arreglos para
posteriormente mostrar los resultados ordenadamente.
La medición de resistencias se realiza por dos
divisores de tensión con 680 Ω y 470 kΩ, los valores resultantes se comparan respecto
a 2.5 volts, el que se encuentre más cerca será el que se utilizara para
obtener el valor más preciso posible de la resistencia desconocida. Debido a
que puede haber falsas detecciones con la presencia de un diodo el procedimiento
se repite con la polaridad invertida del componente si los resultados son
bastante parecidos es bastante probable que sea una resistencia.
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Figura 8 Configuración para la prueba de diodos y
resistencias.
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Resultado conseguidos hasta
el momento
Debido a que por el momento no contamos con
tiristores, JFET y MOSFET de empobrecimiento no hemos podido realizar las
respectivas pruebas con estos elementos, sin embargo el código actual en CCS ya
puede identificarlos. A continuación los resultados de varias pruebas a transistores y resistencias.
BC548:
NPN B=2 C=1 E=3
hFE=266 Uf=888 mV
BC549:
NPN B=2 C=1 E=3
hFE=241 Uf=824 mV
BC547:
NPN B=2 C=1 E=3
hFE=534 Uf=814 mV
TIP41C:
NPN B=1 C=2 E=3
hFE=37 Uf=721 mV
B857:
PNP B=1 C=2 E=3
hFE=191 Uf=682 mV
STC733:
PNP B=3 C=2 E=1
hFE=318 Uf=839 mV
IRF9610:
P-E-MOS C=
GDS=123 D Vt=3690 mV
IRF730A:
N-E-MOS C=
GDS=123 D Vt=3508 mV
FDS6961A:
N-E-MOS C=
GDS=321 D Vt=1897 mV
SBL2040CT:
Diodos: 1->|-2-|<-3
Uf=191 mV 191 mV
LED ROJO:
Diodo:
2-|<-3
Uf=1821 mV
1N4148:
Diodo:
2-|<-3
Uf=726 mV
R-98.8Ω:
Res: 3-1 R=100 ohm
R-9.83KΩ:
Res: 2-1 R=1001 ohm
R-9.88KΩ:
Res: 3-2 R=9802 ohm
R-99.7KΩ:
Res: 3-1 R=99.5 kohm
R-978KΩ:
Res: 3-1 R=905.9 kohm
Como se habrán percatado aun no aparece el valor de la
capacitancia de la puerta de los MOSFET, pues aún no se ha realizado el código para
leer capacitancia debido a que el método empleado en el código original no es
compatible con las características del micro controlador PIC18F2550 , por lo
tanto el código lo realizaremos por nuestra cuenta.
Para terminar esta entrada, dejo a su disposición el código
original en C para AVR y el código C de CCS que he traducido además del archivo
SC-TEST.hex para programar directamente el micro, que incluye el Bootloader serie para CCS. Cabe mencionar que solo se ha ocupado el
42 % de la memoria del PIC18F2550 a pesar de no ser cuidadoso en el gasto de la
memoria. Lo anterior es buena señal,
pues así podremos incorporar más funciones al instrumento. En la próxima entrada,
si todo va bien, espero reportar los resultados del código para leer capacitancia
e inductancia.
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