小信号用トランジスタ PNP,NPN コンプリ用 hfe 測定回路作成レポート 2017 年 9 月 15 日

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ぎんとあわび
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1 小信号用トランジスタ PNP,NPN コンプリ用 hfe 測定回路作成レポート 2017 年 9 月 15 日

2 目次 1. はじめに検討従来方式同時測定方針変更測定ボックスの作成主要部品の入手ボックスの作成底板の取付定電流回路基板ロータリースイッチの配線線材色結果と測定時の注意点今後の予定... 12

1. はじめに縦型 FET の IDSS 測定は結構測定しやすいのだが小信号用のトランジスタの h FE 測定は気温に敏感に左右されるので測定が難しいペアを揃えるのも難しいが特にコンプリ揃えるのが至難の業だ何しろエアコンや扇風機の風が当たっただけでもググッと測定値が動く室温が 0.

3 1. はじめに縦型 FET の IDSS 測定は結構測定しやすいのだが小信号用のトランジスタの h FE 測定は気温に敏感に左右されるので測定が難しいペアを揃えるのも難しいが特にコンプリ揃えるのが至難の業だ何しろエアコンや扇風機の風が当たっただけでもググッと測定値が動く室温が 0.1 変化すると h FE がおおきく変化する測定ケーブルの配置によっては手をトランジスタに近づけただけでも h FE が変化してしまう従って同じトランジスタでも 3 分後に測定した値は殆ど合わないさらに PNP と NPN のコンプリメンタリーのペアマッチングともなると回路を変える為に時間を要しより一層困難度は増してしまうそこで少しでも精度を上げるには同時に測定するしかないと考えた 2017 年 8 月 9 日

4 2. 検討 2.1. 従来方式従来の小信号トランジスタの測定は PNP NPN それぞれ用に都度回路を組んで測定を行っていた 2.2. 同時測定同時測定を行うには測定器が複数必要になる従来方式だと同時に測定するためには PNP と NPN それぞれに計 4 台のテスターが必要になってしまう仕事じゃあるまいし趣味でこんなには買えない測定時のテスターを減らしたいそこでベース側を定電流源にする事で一度設定してしまえばテスターを2 台に減らすことができるだろうと考えたただ定電流源だって温度で変動するだろう PNP,NPN それぞれに定電流源を用意しても相関なく変動してしまうそこで 1 つの定電流源で PNP と NPN のトランジスタを同時測定する仕組みを作ることにしたトランジスタは h FE=500 の素子だとベース電流が 10μA でも Ic がその 500 倍の 5mA もの電流が流れる言い換えればベース電流を 10μA 程度に抑えないと電源強化の必要性が出てくる従ってこのベース電流用の 10μA の定電流源の実現は必須だ実現方法としてオペアンプで定電流を作る方法もあるがあまり複雑にしたくないそこでアンプ作りにはあまり使えない IDSS が 1.7mA の 2SK117-Y が手持ちであるのでこの素子を使って ID=10μA が実現できるか確認したその結果ソース抵抗 Rs が 30KΩで ID=10μA が得られることが確認できたところで 1つの定電流源から PNP トランジスタのベース用の吸い込み電流 NPN トランジスタ用の吐き出し電流を得るにはどうしたらよいだろうかそう考えた時カレントミラーの利用を思いついた早速右図の回路で実験してみたが上手く動作しない NPN PNP の何れかでは動作するのだが両方同時だと安定しない電流確認でミラー側のトランジスタのコレクターを設置するとこのトランジスタがミラーとならず通常のトランジスタとして増幅してしまうなかなか上手く行かないのでカレントミラー回路の採用は断念した

5 次に定電流の流れる量を増やし電流を分流するようにしたらベース電流が安定するのではないかと考え上部左の回路を考えたこの基本回路を元にテスター 2 台で手間なく測定ができるように4 回路 3 接点のロータリースイッチを2 個使った回路としたのが右の回路図であるただ結局 PNP NPN トランジスタのベース電流を調整しなければならないので従来の都度回路を組むのと大して変わらないこの回路では 1 つのテスターを切り替えて NPN,PNP のベース電流を測るようにしているこれは 2 台のテスター間で測定のずれがあったためで一方で測ると 10.0µA だがもう一方で測ると 10.3µA になることから1 台で切り替えて測定することにしたまたベース電流を測り終えたらテスターの測定レンジを切り替える操作を前提に Ic の測定もベース電流で測定したテスターをスイッチで切り替えて測定できるようにしたこの回路もベース電流を測った後ロータリースイッチを切替てテスターのレンジを切り替えるのが煩わしく使い勝手が良くなかったまた同時に測定すると単独で測定したときと h FE が大幅に違ってきてしまうどうも同時測定はうまく行かない発想を切り替えた方が良さそうだ

6 2.3. 方針変更同時測定が上手く行かないので方針を変更し同時測定ではなく PNP と NPN をスイッチで瞬時に切り替えて測定できるようにする事で同時測定と同じレベルの測定ができるのではないかと考えたこの考えに基づいて PNP Tr 用 NPN Tr 用の 2 つの定電流回路による回路を用意したしかし残念ながらこれでも安定しない単独で測った時と h FE が大幅に異なるそこで原因を特定するために試行錯誤を繰り返した結果測定において次の2 点に配慮する必要があることがわかってきたベース電流系の電源ラインとその他の電源ラインを一緒にすると正しく測れないエミッターへの接続ケーブルをベースコレクターへの接続ケーブルに近づけると測定値が安定しない極力離す必要がある問題があるのは回路ではなく測定時の線材の引き回し方法が測定への影響が大きい事がわかってきたそこでこれらポイントに配慮して回路図を見直し測定ボックスを作成したこれにより安定して測定ができ効率的に PNP と NPN のコンプリが得られるようになった

7 3. 測定ボックスの作成 3.1. 主要部品の入手今回の作成で特に入手困難な部品はない強いて言えばもう生産中止になってしまった TO-92 タイプの縦型 FET ぐらいだろうか 2SK117-Y 名称抵抗ボリューム 4 回路 3 接点ロータリー SW アルプスの M-43 を 2 個調達つまみアルミボックス他アルミ材コードブッシュテストピンジャック基板サポーター IC クリップワニ口クリップ ( 小 ) 説明生産終了品代替としては現行品ではチップ部品の 2SK209 生産終了品では抵抗 Rs を定電流が 10µA になるように測定してボリュームと 10µA 時にボリュームの中点に来るように調整するためのシリアルに接続する抵抗値を決める必要があるが 2SK30A,2SK246 など 2SJ103 でも利用できると思う測定するトランジスタのベースに 10µA を流すように 2SK117-Y の Rs の抵抗値を実測したところ 30KΩだったそこで 50KΩのボリュームを使用することにしこの時ボリュームの中点 25KΩの時に 10µA となるように 5.1KΩの抵抗とボリュームをシリアルに接続したボリュームにはサトーパーツの K-2195-M を2 個購入昔からあるつまみで大きさの割に他のアルミ製等と比較すると安価なので見てくれより価格を重視しして購入ロータリースイッチのつまみはサトーパーツの K-37-M を 1 つ保有していたのでもう一つ追加で購入このつまみは大きさの割に価格が高いまたシャフトを入れる穴の深さが浅いのでロータリースイッチのシャフトを極限まで短くカットしたもののそれでもナットが見えてしまうリードの S-8(W*H*D=180*50*120) を購入合わせて底板用とボリュームロータリー SW の回転止め用のアルミ板さらに底板固定用のアルミ材が必要 5 個必要アルミケースからケーブルを引き出す穴に使用テスターの棒を差し込む為のジャック当初テスター棒を直接差し込めるようにとマル信無線電機製の MK-617-0( 赤 ) MK-617-1( 黒 ) を購入して実装したがテスター棒が戦国時代の軍旗の様に立ち並び見栄えも使い勝手も良くなかったそこでターミナルはかつて陸軍ターミナルと呼ばれていた通常のタイプに交換した基板は ICB-288G 基板を取り付けるサポーターは 30mm のものを購入緑 (E: エミッター ) 赤(C: コレクター ) 黄(B: ベース ) 各 2 個ちなみに小信号用のトランジスタのピン配置が左から ECB の場合はえくぼと呼んで覚えておくと測定や実装の時戸惑わないで済む赤黒を各 2 個電源用

3.2. ボックスの作成ロータリースイッチやベース電流調整用のボリュームがあるので回路をアルミボックスに組み上げることにしたアルミボックスのサイズは W H D=180 50 120mm でボリュームやスイッチが操作しやすいようにだいぶ大きめのボックスを選んだまたボリュームのつまみは大きめで安価なつまみを選んだつまみの直径が大きい方が同じ角度をまわすのでも

8 3.2. ボックスの作成ロータリースイッチやベース電流調整用のボリュームがあるので回路をアルミボックスに組み上げることにしたアルミボックスのサイズは W H D= mm でボリュームやスイッチが操作しやすいようにだいぶ大きめのボックスを選んだまたボリュームのつまみは大きめで安価なつまみを選んだつまみの直径が大きい方が同じ角度をまわすのでも円弧の長さが長くなるので微妙な調整がし易くなるからだ図面は DraftSight のフリーソフト版を使い図面を等倍で PDF に出力 PDF を等倍で印刷するとそのまま図面にできるそれをアルミボックスに貼り付けて穴あけを行ったテスターを接続するターミナルの穴はまず 6.5mmφの穴をあけ横長手方向に長円形に丸やすりで仕上げるボリュームロータリースイッチはドリルで穴あけしリーマーで 8mmφ~9mmφまで現物合わせしながら穴を大きくして行く回転止めアルミ板も同様回転止め板とアルミケースの間にはワッシャーを何枚か入れてシャフトの高さ調整を行っているボリュームの回転止め板については基板の取付板も兼ねているのでそのねじ頭が入るスペースをワッシャーで作っている基板は 30mm の少し長めのサポーターで取り付けたコードブッシュも現物合わせしながら穴を広げてゆく取り付ける部品はボリュームとロータリースイッチターミナルのみ当初テスター棒の取付用にテスター棒のジャックを使ったが戦国時代の軍旗が立ち並ぶようにテスター棒が4 本立ち並ぶのであまり見栄えが良くないそこで一般的なターミナルに交換した

3.3. 底板の取付幅 10mm 厚さ 2t のアルミ平版を使って底板を止める為のタップを立てアルミボックスの内側から取り付けたこれに底板をねじ止めする

定電流回路基板基板には NPN 用と PNP 用に定電流回路を2 個実装する基板は 30mm のスペーサーを使用して取り付けた基板の下にはボリュームを配置している 0V Base

9 3.3. 底板の取付幅 10mm 厚さ 2t のアルミ平版を使って底板を止める為のタップを立てアルミボックスの内側から取り付けたこれに底板をねじ止めするゴム足は底板に両面テープで取り付けている 3.4. 定電流回路基板基板には NPN 用と PNP 用に定電流回路を2 個実装する基板は 30mm のスペーサーを使用して取り付けた基板の下にはボリュームを配置している 0V Base 電流切替ロータリー SW へ Base 電流切替ロータリー SW へ 9V PNP Tr 測定用定電流回路 NPN Tr 測定用定電流回路 2SK117-Y PNP 定電流ボリューム 5.1KΩ 2SK117-Y NPN 定電流ボリューム 5.1KΩ NPN 定電流ボリューム PNP Base 黄 IC Clip から PNP Base PNP Base 電流切替電流切替 SW へ SW より NPN Base 黄 IC Clip へ NPN Base 電流切替 SW より NPN Base 電流切替 SW へ 3.5. ロータリースイッチの配線ロータリースイッチへの配線はベース電流とエミッター電流が干渉しないように ( 線材を近づけたり交差させないように ) 配線するベース電流測定切替エミッター電流測定切替

10 3.6. 線材色配線ケーブルの色だがマイルールで次のように決めているエミッター : 緑コレクター : 赤 ( 負極の場合は青 ) ベース : 黄電源 + 側 : 赤 or 橙電源 - 側 : 青または緑アースライン : 黒信号系左 : 黄信号系右 : 透明 or 紫 or 茶色 AC: 白しかしながら今回の配線は余りの線材を利用したのでこのマイルールに従っていない線材の引き回しは写真の様にベース系とエミッター系が接近しないように配慮している電電へのケーブルはベース用とコレクター / エミッタ用の 2 系統引き出している

同じ室温の時に素子を測定する事だなるべく温度変化が無いように室温を管理する事が必要だ測定時の室温も測定データとして 0.

11 4. 結果と測定時の注意点当初目標とした同時測定は実現できなかったが PNP と NPN の h FE をロータリースイッチで容易に切り替えながら測定できるようになった事で室温変動の影響が少なくなりコンプリペアの素子をかなり精度よく抽出することができるようになった完成に至る過程で試行錯誤を繰り返し多くの時間を要したが満足のいく出来である測定時の注意ポイント3 点を習得した 1 点目は同じ室温の時に素子を測定する事だなるべく温度変化が無いように室温を管理する事が必要だ測定時の室温も測定データとして 0.1 の精度で記録しておくことが望ましい現在室温が表示される液晶の据え置き型時計を使用している確か千円程度で購入したものだと思う 2 点目はエミッターへの測定コードとベースコレクターへの測定コードが干渉しないように注意しながら測定する事だ干渉すると素子にや電源回路に手を近づけただけで測定値が動いてしまう 3 点目は素子のエミッターコレクターベースがICクリップでショートしないように注意することだそこで 2.54mm ピッチの基板の切れ端を利用して接触しないようにすることにした

12 5. 今後の予定今後折を見て ( 気が向いたら ) 下記の様に 1 つの定電流回路で測定できるようにさらに改良を施す予定である現状の2つの電流源ではどうしても違いが出る電流源を1つにすることで同一ベース電流で PNP と NPN 測定を行えるようにしたいでも現状のままで何もしないかも

Microsoft PowerPoint - MEpractice10.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - MEpractice10.ppt [互換モード] 抵抗器の実験抵抗 CdS 電池テスターを使ってオームの法則キルヒホッフの法則ブリッジ回路を理解する用意するものラグ板電池配線コードグ数本抵抗１本４円 1ｋΩ ３本１０ｋΩ ３本１０ｋΩ 1本１００ｋΩ 1本１００ｋΩ １本１本可変抵抗 20kΩボリューム 100円 CdS １本 120円テスターデジタルマルチメータ 9800円テスターは電池で作動している

小信号用トランジスタ PNP,NPN コンプリ用 hfe 測定回路 作成レポート 2017 年 9 月 15 日

小信号用トランジスタ PNP,NPN コンプリ用 hfe 測定回路作成レポート 2017 年 9 月 15 日