ワレコ
久しぶりに電子工作をやるぞ！
ワテは過去にトランジスタのhFEを計測するツールを二台自作した。
それらの製作過程は下の記事で詳細に解説している。
現状では上記事で製作したhFEテスターVer.2を使っている。
今回はこのhFEテスターVer.2を改良してhFEテスターVer.3を製作するのだ。
では本題に入ろう。
ワテ自作のhFEテスター Ver.2（これを改良する）
hFEテスター Ver.2の紹介
下図がワテが以前に製作したhFEテスターVer.2だ。
現在も電子工作においてトランジスタのhFE計測が必要な時に使っている。つまり特性の揃ったトランジスタでペアを組む時に活用している。
図 ワテが以前に自作したhFEテスターVer.2の回路図（LTspice）
上図を簡単に説明するなら以下の通り。
- 左側のTL431可変シャント・レギュレータで基準電圧（=5V）を生成。
- その基準電圧を使って、オペアンプRC4558とトランジスタ（2SC1815/2AS1015）で構成した定電流回路でベース電流Ibを生成
- R8, R16（=RVAL）の抵抗値をロータリースイッチで切り替えてIbを変化させる。
- R19（=RVAL/5000）の抵抗値も連動で切り替える。
- R19（=RVAL/5000）の両端電圧をテスターmVレンジで計測すればそれがhFE値となる。
- 破線円で囲んだ部分はDUTのVceをスイッチ切り替えで指定電圧に固定するカスコード回路（ぺるけさんアイデアを拝借）
この回路図に基づいて製作したhFEテスターVer.2の写真を以下に示す。
奥のロータリースイッチでVceを1, 3, 6, 9, 12Vに設定出来る。
手前のロータリースイッチでIbを1, 5, 10, 50, 100, 200µAに設定出来る。
写真 以前に自作したhFEテスターVer.2
上写真で、奥にある黒レバーのトグルスイッチでPNP/NPNトランジスタの切り替えを行う。
ゼロプレッシャーソケットの左はPNP、右はNPNを挿す。
二列になっているので、手前と奥にトランジスタを挿せる。
手前か奥かのどちらのトランジスタを計測するかを選択するトグルスイッチが左手前にあるTR1/TR2スイッチだ。
上写真では、NPNトランジスタ（右側）のTR1（手前側）を選択しているので、右下のLEDが緑色に光っている。このトランジスタが測定対象（DUT）となる。
手前右端の(ON)-OFF-ONスイッチが計測開始スイッチだ。モーメンタリー(ON)側に倒せば一瞬だけ計測出来る。ON側に倒せば倒している期間だけ計測が出来る。
下写真は右手前のNPNトランジスタを選択している状態で、計測はOFF状態だ。この時、LEDが緑色に光る。
写真 右手前NPNトランジスタを選択している状態（計測はOFF状態）
そのNPNトランジスタのhFEを計測開始すると下写真のようにLEDが赤色に光るようにしている。
写真 右手前NPNトランジスタのhFEを計測中（LEDが赤色点灯）
hFEの測定値は下写真の赤黒のチップジャックにテスター棒挿し込んで電圧モードで計測すると直読出来る。
写真 hFEテスターVer.2の内部。コンパクトに作った結果、多数の配線で混乱
![[φ6.1x5.1mm穴/5A] チップジャック[赤] EA940DP-69](https://m.media-amazon.com/images/I/41-wBSMysVL._SL160_.jpg)
例えば、下写真のようにテスターで189.31 mV DCと計測された場合には、hFE=189と直読出来るのだ。
写真 パワートランジスタ2SA1358YのhFEは189と計測された
さて、このようになかなか使い易いhFEテスターVer.2が完成したと思って自画自賛していたのだが、hFEの測定中に値が変動する症状が有ったのだ。
例えば上写真では189.31mVと計測されているが、この測定中でも180～200mVくらいの間で値が変動する。
その理由は不明だったのだが、多分トランジスタにIcが流れて発熱するからそれが原因でhFEが変動するのだろうと解釈していた。
ところがそうではなかったのだ。
測定中にhFEが変動する理由が判明
二ヶ月ほど前にこのhFEテスターVer.2の回路図に関して読者の方からコメントを頂いた。
とんとかいも より:
2023年3月7日 1:10 PM(編集)
ワレコ様、はじめまして。
hfeメーターの記事拝見しました。
D.U.Tのベースに流す定電流を、オペアンプとトランジスタで制御されているわけですが、選定されている部品等に関して、少々疑問があります。
4558の入力は、PNP型のTrでありますため、掃き出しのバイアス電流（Ibias）となります。
その値はデータシートによりますと、25℃という環境条件で最大500nAと無視できない値です。
検出用抵抗器に流れる電流をIrとすると、Ir=Ib+Ibiasとなります。
つまり、Vrefと比較している電圧Vrは、Vr=(Ib+Ibias)xRとなりますので、想定よりも高い電圧で比較していることになります。
1μAや10μAとされているIbは、誤差が大きくなるということになろうかと考えます。
先に書きましたように、4558のバイアス電流はアプリケーションとしてはかなり大きく、そのために入力インピーダンスも低いです。
検出用抵抗器の定数は計算は合っていますが、数MΩの抵抗器に生じる電圧をまともにオペアンプに入力するならば、よほど入力インピーダンスの大きなオペアンプでなければ、誤差を抑えることはできません。
トランジスタのhfeを相対的に比較されるならば無論問題ないかと思いますが、他所で計測されたデータと比較するには向かないのではと考えます。
付け加えますと、この定電流回路は発振しやすいので注意してください。
引用元 https://www.wareko.jp/blog/make-transistor-hfe-tester#comment-43950
とんとかいも様は電子回路の専門家のようで、トランジスタ技術に記事を執筆された経験もお持ちとの事だ。
そんな専門家の方の鋭い考察によって、ワテのhFEテスターVer.2においてhFEの測定値に誤差が多いと言う点と、測定中にマイクロアンペアのオーダーの微小電流IbがドリフトしてhFEの測定値が安定しない問題点が指摘されたのだ。
要するにベース電流Ibを生成する為にワテが採用したオペアンプ4558を使った定電流回路に問題があるとの事だ。オペアンプ4558を使う事自体も問題との事だ。
とんとかいも より:
2023年3月7日 2:27 PM(編集)
われこ様ご返信ありがとうございます。
hfeメータの2号機を製作されるのでしたら、Ibの定電流回路はオペアンプを用いた定電流回路は適さないと考えます。
おそらく、現用の機器ではIb設定を小さい値にするとドリフトも加わって安定しないという課題もあるのではと思います。
テキサスインスツルメンツや、STMicroelectoroよりリリースされている電流源ICの「LM334」を用いられれば、1μA ～の安定した定電流を得られます。
電流値設定の抵抗値の調整は必要ですが、計算では約68kΩの抵抗器1本で1μAに設定できます。
引用元 https://www.wareko.jp/blog/make-transistor-hfe-tester#comment-43952
とんとかいも様のアドバイスで、既存のhFEテスターVer.2の問題点を改善するための具体的な改良案も教えて頂く事が出来た。
LM334などの半導体部品はアマゾン、楽天、Yahooショッピングなどのネット通販でも入手可能だ。
ただし、最近では半導体部品の偽物も多く出回っている。なので、正規品を入手したい場合はそのメーカーの公式サイトから直接購入するのが最も確実だ。
あるいはRSコンポーネンツ、デジキーなどの大手通販サイトを利用するのが良いだろう。
と言う訳で、今回はとんとかいも様のアドバイスに従って定電流源ICであるLM334を用いてベース電流Ibの設定回路を作る事にしたのだ。
今回製作予定のhFEテスター Ver.3（LM334定電流源IC採用）
下図がLTspiceで描いたhFEテスター Ver.3（LM334定電流源IC採用）の回路図だ。
図 LTspiceで描いたhFEテスター Ver.3（LM334定電流源IC採用）回路図
上図に於いて、左側に2個あるLM334と2個の抵抗（Rset）で定電流回路を構成している。
それらで生成される定電流源が、DUT PNPとDUT NPNのベース電流Ibとなる。
LM334を採用した結果、旧バージョンVer.2で使っていたTL431可変シャント・レギュレータ、オペアンプRC4558とトランジスタ（2SC1815/2AS1015）、多数の外付け抵抗が不要になったので回路図が非常にスッキリした。
さらに、破線円で囲った部分はDUTのVceを指定した電圧に固定する機能なのだが、従来版（hFEテスターVer.2）では2個のトランジスターを使ったカスコード回路で構成していた。
その部分にオペアンプAD822を採用して、Vceの誤差を減らしたのだ。その辺りの説明はぺるけさんの下の解説が参考になる。
注意：本機の回路では、基準電圧（1V、3V、6V）をどんなに正確に与えても、測定モードによっては被測定トランジスタに与えられるVCEには±0.1V程度の誤差が生じます。几帳面に正確さを期したい場合は、2SA1020/2SC2655をOPアンプ置き換えて、2SC3422/2SA1359のエミッタからOPアンプにDC帰還をかけるように変更します。この場合、1VモードではOPアンプに十分な動作電圧が得られなくなるため別途電源を用意する必要があります。
引用元 http://www.op316.com/tubes/mi-audio/hfe-tester.htm
ちなみにオペアンプAD822を使った回路もとんとかいも様から教えて頂いたアイデアをそのまま流用させて頂いた。
なお、ぺるけさんの引用文の末尾には「この場合、1VモードではOPアンプに十分な動作電圧が得られなくなるため別途電源を用意する必要があります。」との記載があるが、ワテの場合には単電源では無くて±15Vの両電源を使っている。
その結果、LTspiceシミュレーションした限りでは1Vモードでも期待通りにVceを1Vに設定出来るようだ。
正規品を入手するならアナログ・デバイセズ公式サイトがお勧めだ。
あるいはAD822は秋月にも売っている。
あるいはデジキーにも売っている。デジキーで買う場合にはマルツのサイトでデジキー製品も買えるのでそれがお勧めだ。マルツ経由の方が送料が安いので。
単電源、レール to レール
低消費電力
FET 入力のオペアンプ
AD822
特長
・真の単電源動作
レール to レールの出力振幅
グラウンド未満まで拡張された入力電圧範囲
単電源機能：5V～30V
デュアル電源機能：±2.5V～±15V
・高い負荷駆動能力
容量性負荷駆動：350pF、G = +1
15mA の最小出力電流
・低消費電力を実現する優れた AC 性能
最大静止電流：800µA
ユニティ・ゲイン帯域幅：1.8MHz
スルー・レート：3V/µs
・優れた DC 性能
最大入力オフセット電圧：800µV
オフセット電圧ドリフト：2µV/ºC（代表値）
最大入力バイアス電流：25pA
・低ノイズ
13nV/√Hz（10kHz 時）
位相反転なし
引用元 https://www.analog.com/jp/products/ad822.html
LTspiceシミュレーションしてみた
二個のLM334に付けている抵抗Rsetはロータリースイッチで6段階切り替えにする事にした。
その時に生成する電流（Ib）が1, 5, 10, 50, 100, 200µAになるようにLTspiceシミュレーションを行ってRset抵抗の値を試行錯誤で決めた（下図）。縦軸はLM334に流れる電流だ。
図 LM334定電流源ICで1, 5, 10, 50, 100, 200µAを生成出来るようにRset抵抗の値を決めた
上図では2個のLM334に対応して、赤色と緑色の二つのグラフが表示されているのだが両者は重なっているので緑が見えている。要するにPNP側、NPN側のLM334は全く同じ電流が流れる。
なので、LM334を一個に減らしてスイッチ切り替えでIbを現在選択されているDUTトランジスタのPNP側かNPN側かに供給する方式にする案も検討した。
やれば出来ると思うが、そうすると切り替えスイッチを追加する必要があるのでややこしい。それに回路図も大幅に修正する必要がある。
と言う事で、メーカー製の製品を作る訳では無いので、少々パーツ購入コストが増えても問題ないので、冗長ではあるがLM334を二個使う作戦で行く事にした。
LTspiceでRset抵抗の値を6段階に変化させるために以下の設定を用いた。
;.PARAM Rc 100
;.STEP PARAM Rset LIST 74K 14.36K 7.28k 1.45k 730 362
.step param Rx list 1 2 3 4 5 6
.param Rset table(Rx,1,74K,2, 14.36K,3, 7.28k,4, 1.455k,5, 730,6, 362.12)
.param Rc table(Rx,1,1000,2, 200,3, 100,4, 20,5, 10,6, 5)
; Ib=1,5,10,50,100,200uA になるようにRsetを決めた。
; RcはhFE=100の時にVrc=100mV になるように決めた。
;
;LTspiceで複数のデバイス（この例ではRset, Rc）の値を連動して変化させるには、table機能を使うと出来た。
その時同時にコレクター電流が流れる抵抗Rcの値も連動して6段階に変化させる。
例えばhFE=200のトランジスタを計測した場合には以下のようになる。
| 番号 | Rset[Ω] | Ib | Ic=Ib*200 | Rc[Ω] | VRC=Rc*Ic | P[W]=VRC * Ic |
| 1 | 74K | 1µA | 200µA | 1000 | 200mV | 0.1mW |
| 2 | 14.36K | 5µA | 1mA | 200 | 200mV | 0.2mW |
| 3 | 7.28k | 10µA | 2mA | 100 | 200mV | 0.4mW |
| 4 | 1.455k | 50µA | 10mA | 20 | 200mV | 2mW |
| 5 | 730 | 100µA | 20mA | 10 | 200mV | 4mW |
| 6 | 362.12 | 200µA | 40mA | 5 | 200mV | 8mW |
表 ワテ自作のhFEテスターVer.3でhFEが直読できる理由を説明
つまりDUT PNPとDUT NPNの二つのトランジスタの共通コレクタ側に入っている抵抗Rcの両端電圧VRCをミリボルトレンジでテスター計測すれば、その値200[mV]がhFEとなる。
発熱に関して考察しておこう。
hFEが1000の場合ならIb=200µAの場合にはIc=200mAになる。
Rc（5Ω）での発熱は、5Ω x 0.2A x 0.2A = 0.2W となるので、Rcには念のために2W～5Wくらいの抵抗を使うのが良さそうだ。
下図はR19抵抗（共通コレクタ抵抗Rc）に流れる電流Icのシミュレーション結果。DUTは2SA1359Yだ。
図 DUT PNPに挿した2SA1359Yのコレクタ電流（Ic）のシミュレーション結果
そのRc抵抗の両端電圧のシミュレーション結果を下図に示す。
図 DUT PNPに挿した2SA1359Yのコレクタ抵抗Rcの両端電圧シミュレーション結果
上図から2SA1359YのhFEは180程度だと言う結果が得られた。
シミュレーションに用いたのは東芝の2SA1359Yであるから、hFEのシミュレーション結果は妥当な感じ。
2SA1359
○ 電力増幅用
○ 低速度スイッチング用
• hFE リニアリティが良好です。
• 2SC3422 とコンプリメンタリになります。
• hFE (1) 分類 O: 80~160, Y: 120~240
ちなみにDUT PNPとDUT NPNのどちらを計測するかは下図の破線枠で囲んだ部分をトグルスイッチで切り替える。
図 DUT PNPとDUT NPNのどちらを計測するかを切り替える部分
下図は、DUT NPNに挿した2SC3422Yのコレクタ電流（Ic）のシミュレーション結果。
図 DUT NPNに挿した2SC3422Yのコレクタ電流（Ic）のシミュレーション結果
下図は、そのコレクタ抵抗Rcの両端電圧のシミュレーション結果。
図 DUT NPNに挿した2SC3422Yのコレクタ抵抗Rcの両端電圧シミュレーション結果
と言う事でLTspiceシミュレーション結果を見る限り、ワテ設計のhFEテスターVer.3はいい感じで動きそうだ。
まとめ
ワレコ
LTspiceやKiCadを使って回路図を描いている時には時間が経つのを忘れて没頭できる。
当記事ではワテが以前に自作したhFEテスターVer.2の問題点を改善して、新たにhFEテスターVer.3を設計する過程を紹介した。
当ブログ読者のとんとかいも様から頂いた有益な技術的アドバイスを元に、定電流源ICのLM334を使う方式に回路を変更した。
その結果、旧バージョンVer.2で使っていたTL431可変シャント・レギュレータ、オペアンプRC4558とトランジスタ（2SC1815/2AS1015）、多数の外付け抵抗が不要になったので回路図が非常にスッキリした。
今後の予定としては、KiCadで回路図を描いてプリント基板を設計する作業を行いたい。
なお、当記事で紹介した回路図では、ゼロプレッシャーソケットに合計4個のトランジスタを挿して、二個のトグルスイッチを用いてその中のどれを計測対象に選ぶのかを決める部分は描いていない。具体的には計測対象に選んだトランジスタの脇の緑LEDが点灯する機構だ。
さらに、計測を開始するとその緑LEDを赤色に光らせる機能も描いていない。
旧バージョンhFEテスターVer.2では、その部分はSN74HC00とリレーを使って四つの発光ダイオードの中の選択されたものを緑に光らせる機能と計測開始で赤色に光らせるようにした。
それらの機能は即席で追加したので、詳細な回路図を残していないのだ。手書きのメモはあるが、殴り書きなので今見ても自分で良く分からない。あかんがな。
と言う訳で、それらの機能もKiCadで新規に作成してhFEテスターVer.3に組み込みたいと思っている。
なお、ワテの場合、言うまでもなく電子回路の初心者だ。
当記事で紹介したhFEテスターVer.3の回路図や本文中での考察などで何か間違いや勘違い、お気づきの点などありましたら下にあるコメント欄から遠慮なくご指摘して頂けると大変有難いです。
（続く）
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