Один из способов тестирования транзисторов — использование кривографа (curve tracer). Этот метод применяется производителями полупроводников и изготовителями оборудования для проверки поступающих компонентов. Кривографы также используются в лабораториях при проектировании. На рисунке 5-19 в конце этого раздела показан доступный кривограф.
Другой метод, применяемый на производстве и в центрах разработки, заключается в помещении транзистора в специальное приспособление или тестовую схему. Это динамический тест, так как он заставляет устройство работать с реальными напряжениями и сигналами. Этот метод тестирования часто используется для транзисторов, работающих в диапазонах VHF (Very High Frequencies, очень высокие частоты) и UHF (Ultra High Frequencies, ультравысокие частоты). Динамическое тестирование позволяет оценить коэффициент усиления мощности и шумовую характеристику (NF) в условиях реальных сигналов. NF является мерой способности транзистора усиливать слабые сигналы. Некоторые транзисторы генерируют достаточно электрических шумов, чтобы подавить слабый сигнал. Такие транзисторы считаются имеющими плохую NF.
Некоторые типы транзисторов могут демонстрировать постепенную потерю усиления мощности. Например, в радиочастотных усилителях мощности могут использоваться транзисторы с накладной структурой (overlay-type). Эти транзисторы могут иметь более 100 отдельных эмиттеров. Они могут подвергаться изменениям в переходе база-эмиттер, которые постепенно снижают коэффициент усиления мощности. Другая проблема — это влага, которая может проникнуть внутрь корпуса транзистора и постепенно ухудшить его характеристики. Хотя постепенные отказы транзисторов возможны, они не являются типичными.
В большинстве случаев транзисторы выходят из строя внезапно и полностью. Один или оба p-n перехода (переход — это область перехода между P- и N-областями) могут замкнуться накоротко. Внутреннее соединение может оборваться или перегореть из-за перегрузки. Такой тип отказа легко проверить. Большинство неисправных транзисторов можно выявить с помощью нескольких проверок омметром (вне схемы) или с помощью вольтметра (в схеме).
Хороший транзистор имеет два p-n перехода. Оба перехода можно проверить с помощью омметра. Как показано на рисунке 5-16, PNP-транзистор можно сравнить с двумя диодами, имеющими общее катодное соединение. Вывод базы действует как общий катод.
На рисунке 5-17 NPN-транзистор представлен как два диода с общим анодным соединением. Если два исправных диода можно проверить с помощью омметра, то, скорее всего, транзистор исправен.
Омметр также можно использовать для определения полярности транзистора (NPN или PNP) и для идентификации трех выводов. Это может быть полезно, когда данные недоступны. Аналоговые омметры должны быть установлены в диапазон R × 100 для тестирования большинства транзисторов. Для цифровых мультиметров (DMM) можно использовать функцию проверки диодов.
Первый шаг при тестировании транзисторов — подключить щупы омметра к двум выводам транзистора. Если показывается низкое сопротивление, это означает, что щупы подключены к одному из переходов (диодов), либо транзистор закорочен. Чтобы определить, какой случай имеет место, поменяйте полярность подключения щупов омметра. Если переход транзистора исправен, омметр покажет высокое сопротивление. Если вы случайно подключите щупы между выводами эмиттера и коллектора исправного транзистора, омметр покажет высокое сопротивление в обоих направлениях. Цифровой мультиметр (DMM) может показать «OL» (перегрузка). (См. рисунок 3-14 для повторения тестирования переходов с помощью измерительных приборов.) Причина этого в том, что в цепи омметра находятся два перехода. Изучите рисунки 5-16 и 5-17 и убедитесь, что при любой полярности, приложенной между эмиттером и коллектором, один из диодов будет обратно смещен.
После того как соединение эмиттер-коллектор найдено, база определяется методом исключения. Теперь подключите отрицательный щуп омметра к выводу базы. Отрицательным щупом коснитесь сначала одного, а затем другого из двух оставшихся выводов. Если показывается низкое сопротивление, транзистор является PNP-типа. Подключите положительный щуп к выводу базы. Коснитесь отрицательным щупом сначала одного, а затем другого из двух оставшихся выводов. Если показывается низкое сопротивление, то транзистор является NPN-типа.
Таким образом, вы уже определили вывод базы и полярность транзистора. Теперь можно проверить транзистор на наличие усиления и идентифицировать выводы коллектора и эмиттера. Для проверки усиления можно использовать резистор сопротивлением 100 000 Ом и омметр.
Резистор будет использоваться для подачи небольшого тока в базу транзистора. Если транзистор обладает хорошим коэффициентом усиления по току, ток коллектора будет значительно больше. Омметр покажет сопротивление, намного меньшее, чем 100 000 Ом, что доказывает способность транзистора усиливать ток. Эта проверка выполняется путем подключения омметра к выводам эмиттера и коллектора одновременно с подключением резистора между выводами коллектора и базы. Техника показана для обоих типов измерительных приборов на рисунке 5-18. Цифровой мультиметр (DMM) находится в режиме проверки диодов, и показания будут выше, чем при тестировании диода.
Если вы ошиблись и подключили положительный щуп к эмиттеру, отрицательный щуп к коллектору, низкое сопротивление не будет обнаружено. Цифровой мультиметр (DMM) покажет «OL» (перегрузка или выход за пределы диапазона). Просто помните, что при проверке усиления у NPN-транзистора резистор должен быть подключен от положительного щупа к базе. Правильным соединением эмиттер-коллектор будет то, которое показывает наибольшее усиление (наименьшее сопротивление). Вы также можете быть уверены, что транзистор имеет усиление, благодаря низкому значению сопротивления или высокому показанию DMM в режиме проверки диодов.
У транзисторов есть некоторый ток утечки (leakage current). Это связано с действием неосновных носителей заряда. Один из токов утечки в транзисторе называется Icbo. (Символ I означает ток, CB обозначает переход коллектор-база, а O указывает, что вывод эмиттера разомкнут.) Это ток, который протекает через переход коллектор-база при обратном смещении и при разомкнутом выводе эмиттера. Другой ток утечки транзистора — это Iceo. (Символ I означает ток, CE обозначает выводы коллектор-эмиттер, а O указывает, что вывод базы разомкнут.) Iceo является наибольшим током утечки. Это усиленная форма Icbo:
При разомкнутом выводе базы любой ток утечки, протекающий через обратно смещенный переход коллектор-база, будет оказывать такое же воздействие на переход база-эмиттер, как если бы был приложен внешний ток базы. При разомкнутом выводе базы утечке некуда больше деться. Транзистор усиливает эту утечку точно так же, как любой другой ток базы:
Iс=β×Ib
Кремниевые транзисторы имеют очень низкие токи утечки. При проведении тестов с помощью омметра, омметр должен показывать бесконечное сопротивление, когда переходы смещены в обратном направлении. Любое значение меньше этого может означать, что транзистор неисправен. Германиевые транзисторы имеют значительно большие токи утечки. Это, скорее всего, проявится как высокое, но не бесконечное обратное сопротивление. Особенно это будет заметно при проверке между выводами эмиттера и коллектора. Это связано с тем, что Iceo является усиленной версией Icbo. Вероятность того, что техники столкнутся с германиевыми транзисторами, мала, если они не работают со старыми схемами.
Проверка транзисторов в схеме возможна, но может быть неоднозначной. Во-первых, ее никогда нельзя использовать на работающих цепях. Во-вторых, омметр может показывать заниженные значения из-за обходных путей вокруг транзистора. В-третьих, более надежные методы, основанные на анализе напряжения или сигнальных путей, обычно предпочтительнее. Методы поиска неисправностей, наиболее часто используемые на практике, рассматриваются в последующих главах.
На рисунке 5-19 показан анализатор транзисторов для проверки вне схемы, который также отображает характеристические кривые на компьютере через USB. MOSFET-транзисторы рассматриваются в следующем разделе. Тестеры транзисторов являются распространенными и могут быть дополнительной функцией некоторых приборов.