W poszukiwaniu prawdy, część 2

Kontynuując temat pomiaru podstawowych parametrów tranzystorów MOSFET, by móc zidentyfikować elementy podrabiane, kolejna część jest poświęcona pomiarom rezystancji kanału w stanie włączenia. Temat jest dosyć prosty w swej koncepcji, jednak w pewnych sytuacjach trochę się komplikuje.

W poprzedniej części „molestowane” były tranzystory, które należy raczej zaliczyć do grupy elementów dużej mocy. Toteż podstawowym występującym tu problemem, w kwestii pomiarów rezystancji kanału RDS(ON), jest zapewnienie właściwych warunków w trakcie pomiaru. Przede wszystkim są one realizowane przy dużych prądach, co implikuje, że zasilanie musi dostarczyć do układu pomiarowego dużo energii, zasilacz musi dysponować odpowiednią mocą. Wystarczy spojrzeć do noty katalogowej pierwszego badanego tranzystora STW8NP100 (rysunek 1).

Koniecznością jest zbudowanie układu pomiarowego, gdzie prąd obciążenia ma wartość 4 A przy napięciu wysterowania bramki wynoszącym 10 V. Najlepszym rozwiązaniem do zasilenia jest zastosowanie źródła prądowego.

Jak się nie ma co się lubi

…to się lubi co się ma. Niestety aktualnie nie dysponuję odpowiednim zasilaczem (będącym źródłem prądowym o odpowiedniej wartości). Alternatywą jest zastosowanie źródła napięciowego, do którego koniecznością staje się dołączenie odpowiedniej rezystancji. Przejrzałem swoje szuflady i inne zakamarki w poszukiwaniu odpowiednich detali. Z wszystkich znalezionych „skarbów” wybrałem stabilizowany zasilacz impulsowy o mocy 60 W (fotografia 2) oraz rezystory dużej mocy – dwa połączone szeregowo o łącznej rezystancji 6 Ω (fotografia 3).

Obciążenie takimi rezystorami zasilacza spowoduje przepływ prądu o wartości 2 A. To dwa razy za mało w stosunku do wymagań, ale aktualnie nie mam nic lepszego do zastosowania. Z obliczeń wynika, że wydzielona na opornikach moc to 24 W. To również jest więcej niż ich nominalna moc, pomiary trzeba będzie robić szybko i dać „odpocząć” opornikom przed kolejnym użyciem.

Schemat układu pomiarowego pokazuje rysunek 4.

Przy zasilaniu ze źródła napięcia o wartości 12 V, aby uzyskać na bramce tranzystora wymagane 10 V, zastosowałem dzielnik z rezystorów mających 2 kΩ oraz 10 kΩ. Użyty włącznik pozwala na włączanie/wyłączanie tranzystora. Przy jego włączeniu popłynie prąd, który łatwo jest obliczyć (na rysunku 4 oznaczony jako i). Ten sam prąd popłynie przez tranzystor. W stanie włączenia można go traktować jak mały opornik (RDSON), który właśnie mamy zamiar zmierzyć. Z prostej zależności, gdzie trzy wielkości wynikają z pomiarów, można obliczyć poszukiwaną wartość parametru tranzystora.

Wielkości napięć, co oczywiste, będą się zmieniać, jednak jeden element ma stałą wartość (pomijając zjawisko zmiany rezystancji w miarę nagrzewania się rezystora), jest to stały opornik R, którego wartość można zmierzyć już w tej chwili. Jego opór należy zakwalifikować do „małych”, czyli wymaga uwzględnienia w pomiarze rezystancji samych przewodów przyłączonych do miernika. Zwarte sondy omomierza dają pomiar 0,1 Ω (fotografia 5) oraz wraz z rezystorem 6,1 Ω (fotografia 6).

Łatwo wysnuć wniosek, że zastosowany do pomiarów opornik ma rezystancję 6 Ω (elementy mają swoją tolerancję, więc napis 3 Ω nie oznacza, że dokładnie tyle ma). Jeszcze przed rzeczywistymi pomiarami postanowiłem zrobić kilka symulacji mających na celu określenie „wrażliwości” wyniku na dokładność pomiarów. Do tego celu użyłem arkusza kalkulacyjnego. Wymyśliłem sobie wartości zmierzonych napięć, jak na rysunku 7.

Przy takich wartościach (UT=0,1 V i UR=11,9 V, przy założeniu, że R=6 Ω), to RDSON=50 mΩ. Sprawdziłem jaki wpływ na rezultat będzie miała „niepewność” wartości rezystancji. Niech miernik „się pomyli” o 0,1 Ω gdyż na najniższym zakresie pomiarowym wynik jest wyświetlany z jedną cyfrą po przecinku (ΔR=0,1), czyli wyliczona wartość będzie z przedziału RDSON1…RDSON2 = 0,0496 Ω…0,0513 Ω, co daje odchyłkę wynoszącą 0,84 mΩ. Stanowi to 1,67% jej wartości. Uważam, że wpływ błędu pomiaru rezystancji obciążenia jest pomijalny. Zapewne większe znaczenie będzie miało niezachowanie reżimu pomiarowego, gdyż przez tranzystor w rzeczywistości popłynął dwa razy mniejszy prąd (w przypadku STW8NB100, bo dla pozostałych mierzonych tranzystorów ten stosunek jest jeszcze gorszy).

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze listopadowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 11/2023). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 11/2023 znajduje się tutaj.

 

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mamy wysłać na podany adres e-mailowy.