Электроника:Полупроводники/Тиристоры/Однопереходной транзистор

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Однопереходной транзистор

Однопереходной транзистор

Хотя однопереходный транзистор не является тиристором, данное устройство может запускать более крупные тиристоры с помощью импульса на базе Б₁. Однопереходный транзистор состоит из кремниевого стержня N-типа, имеющего посередине подключение Р-типа (см. рисунок 1.а). Соединения на концах стержня известны как базы Б₁ и Б₂; средняя точка P-типа – это эмиттер. Когда эмиттер отключён, полное сопротивление R_ББ0, указанное в таблице данных, представляет собой сумму сопротивлений R_Б1 и R_Б2 (показано на рисунке 1.б). R_ББ0 составляет от 4 до 12 кОм для различных типов устройств. Коэффициент передачи η – это отношение сопротивлений R_Б1 к R_ББ0. Варьируется от 0,4 до 0,8 для разных устройств. Схемное обозначение показано на рисунке 1.в.

Рис. 1. Однопереходный транзистор: (а) физическая структура, (б) эквивалентная схема, (в) схемное обознаечние.

График зависимости тока однопереходного эмиттера от напряжения (рисунок 2.а ниже) показывает, что по мере увеличения V_Э ток I_Э увеличивается до пикового I_П. За пределами пиковой точки ток увеличивается по мере уменьшения напряжения в области отрицательного сопротивления. Напряжение достигает минимума в точке впадины. Сопротивление R_Б1 (сопротивление насыщения) является самым низким в точке впадины.

I_П и I_В – параметры из таблицы данных. Для модели 2n2647 I_П и I_В равны 2 мкА и 4 мА соответственно. V_П – падение напряжения на R_Б1 плюс падение на диоде 0,7 В; см. рисунок 2.б ниже. V_В оценивается примерно в 10% от V_ББ.

Рис. 2. Однопереходный транзистор: (а) кривая эмиттерной характеристики, (б) модель для V_П.

Релаксационный осциллятор представляет собой приложение однопереходного транзистора. R_Э заряжает C_Э до пиковой точки. Вывод однопереходного эмиттера не влияет на конденсатор, пока не будет достигнута эта точка. Когда напряжение на конденсаторе V_Э достигает точки пикового напряжения V_П, пониженное сопротивление эмиттер/база1 R_ЭБ1 быстро разряжает конденсатор. Как только конденсатор разряжается ниже точки впадины V_В, сопротивление R_ЭБ1 снова становится высоким, и конденсатор снова может заряжаться.

Рис. 3. Схема релаксационного осциллятора на однопереходном транзисторе и волны сигналов. Генератор управляет SCR-тиристором.

Во время разрядки конденсатора через сопротивление насыщения R_ЭБ1 на внешних нагрузочных резисторах R_Б1 и R_Б2 можно наблюдать импульс, см. рисунок 3 выше. Нагрузочный резистор на R_Б1 должен быть низким, чтобы не влиять на время разрядки. Внешний резистор на R_Б2 не является обязательным. Его можно заменить коротким замыканием. Приблизительная частота равна 1/f = T = RC. Более точное выражение для частоты дано на рисунке 3 выше.

Зарядный резистор R_Э должен находиться в определённых пределах. Он должен быть достаточно мал, чтобы позволить I_П течь за счёт V_ББ питания меньшего, чем V_П. Он должен быть достаточно большим, чтобы поставлять I_В за счёт V_ББ питания меньшего, чем V_В. Пример уравнения для модели 2n2647:

Рис. 4. Расчёты для модели 2n2647.

Программируемый однопереходный транзистор (PUT)

Хотя однопереходный транзистор считается устаревшим (то есть экономически нецелесообразным, поскольку доступны более дешёвые варианты), а вот программируемый однопереходный транзистор (PUT, от англ. programmable unijunction transistor) живёт и здравствует, ибо недорог в производстве. Хотя он выполняет функцию, аналогичную однопереходному транзистору, PUT – это трёхконтактный тиристор. PUT имеет четырёхслойную структуру, типичную для тиристоров (см. рисунок 5 ниже). Обратите внимание, что затвор, слой N-типа рядом с анодом, известен как «анодный затвор». Кроме того, вывод затвора на схемном обозначении прикреплён к анодному концу символа.

Рис. 5. Программируемый однопереходный транзистор: характеристическая кривая, внутренняя структура, схемное обозначение.

Характеристическая кривая для программируемого однопереходного транзистора на рисунке 5 выше аналогична кривой для однопереходного транзистора. Это график зависимости анодного тока I_А от анодного напряжения V_А. Напряжение на затворе определяет пик анодного напряжения V_П. По мере увеличения анодного тока напряжение увеличивается до пиковой точки. После этого увеличение тока приводит к снижению напряжения до точки впадины.

Эквивалент PUT однопереходного транзистора показан на рисунке 6 ниже. Внешние резисторы PUT R₁ и R₂ заменяют внутренние резисторы R_Б1 и R_Б2 однопереходного транзистора соответственно. Эти резисторы позволяют рассчитать коэффициент передачи η.

Рис. 6. PUT-эквивалент однопереходного транзистора.

На рисунке 7 ниже показана версия релаксационного генератора на однопереходном PUT. Резистор R заряжает конденсатор до пиковой точки, затем сильная проводимость перемещает рабочую точку вниз по спуску отрицательного сопротивления к точке впадины. Во время разрядки конденсатора через катод проходят токовые импульсы, вызывающие всплески напряжения на катодных резисторах. После разрядки конденсатора рабочая точка возвращается к спуску до пиковой точки.

Рис. 7. Релаксационный PUT-осциллятор.

Проблема: каков диапазон подходящих значений для R на рисунке выше в релаксационном осцилляторе? Зарядный резистор должен быть достаточно маленьким, чтобы обеспечивать достаточный ток, дабы поднять на аноде до точки пика V_П при зарядке конденсатора. Как только достигается V_П, анодное напряжение уменьшается по мере увеличения тока (отрицательное сопротивление), что перемещает рабочую точку в самое нижнее положение. Это работа конденсатора для снабжения тока впадины I_В. После того, как он разрядится, рабочая точка возвращается по восходящему наклону к пиковой точке. Резистор должен быть достаточно большим, чтобы никогда ток впадины I_П не был слишком высоким. Если бы зарядный резистор когда-либо мог подавать такой большой ток, резистор подавал бы ток впадины после того, как конденсатор был разряжен, и рабочая точка никогда не вернулась бы к состоянию высокого сопротивления слева от пиковой точки.

Возьмём то же напряжение V_ББ = 10 В, что и для примера с однопереходным транзистором. Выбираем значения R₁ и R₂ так, чтобы η было около ⅔. Вычислим η и V_S. Параллельным эквивалентом R₁, R₂ является R_З, который только выберем из таблицы ниже. Наряду с V_S = 10, ближайшим значением к нашим 6.3, мы находим V_Т = 0, после чего вычисляем V_П.

Рис. 8. Находим V_П.

Мы также находим I_П и I_В, пиковый и минимальный токи, соответственно, в таблице. Нам всё ещё нужно V_В, напряжение впадины. В предыдущем примере с однопереходным соединением мы использовали 10% от V_ББ = 1 В. Просматривая данные, мы находим прямое напряжение V_Пр. = 0,8 В при I_Пр. = 50 мА. Ток впадины I_В = 70 мкА намного меньше, чем I_Пр. = 50 мА. Следовательно, V_В должно быть меньше V_Пр. = 0,8 В. Но насколько меньше? На всякий случай устанавливаем V_В = 0 В. Это немного поднимет нижний предел диапазона резистора.

Рис. 9. Определяем диапазон сопротивления резистора.

Выбор R > 143к гарантирует, что рабочая точка может сбрасываться из точки впадины после разрядки конденсатора. R < 755к позволяет заряжать до V_П в пиковой точке. Выбранные параметры 2n6027 PUT, адаптированные из таблицы.

Параметр	Условия	Мин.	Стандарт	Макс.	Ед. изм.
VT					В
	VS = 10 В, RЗ = 1 МОм	0,2	0,7	1,6
	VS = 10 В, RЗ = 10 кОм	0,2	0,35	0,6
IП					мкА
	VS = 10 В, RЗ = 1 МОм	-	1,25	2,0
	VS = 10 В, RЗ = 10 кОм	-	4,0	5,0
IВ					мкА
	VS = 10 В, RЗ = 1 МОм	-	18	50
	VS = 10 В, RЗ = 10 кОм	70	150	-
	VS = 10 В, RЗ = 200 Ом	1500	-	-
VПр.	IПр. = 50 мА	-	0,8	1,5	В

На рисунке ниже показан релаксационный генератор PUT с конечными значениями резисторов. Также показано практическое применение PUT, запускающего SCR. Для этой схемы требуется нефильтрованный источник питания V_ББ (не показан на схеме), отделённый от мостового выпрямителя для сброса релаксационного генератора после каждого перехода через нулевую точку для мощности. Переменный резистор должен иметь минимальный резистор, включённый последовательно с ним, чтобы предотвратить зависание низкой настройки потенциометра в точке впадины.

Рис. 10. Релаксационный осциллятор PUT со значениями компонентов. PUT управляет диммером лампы на SCR-тиристоре.

Считается, что схемы синхронизации PUT могут использоваться до 10 кГц. Если вместо экспоненциального изменения требуется линейное нарастание, замените зарядный резистор на источник постоянного тока, такой как диод постоянного тока на основе полевого транзистора. Альтернативный PUT может быть построен из кремниевого транзистора PNP и NPN путём исключения катодного затвора и использования анодного затвора.

Итог

• Однопереходный транзистор состоит из двух баз (Б₁, Б₂), прикреплённых к резистивной планке из кремния, и эмиттера в центре. Переход Э/Б₁ имеет свойства отрицательного сопротивления; он может переключаться между высоким и низким сопротивлением.
• PUT (программируемый однопереходный транзистор) представляет собой 3-контактный 4-слойный тиристор, действующий как однопереходный транзистор. Система из внешних резисторов «программирует» η.
• Коэффициент передачи составляет η = R₁ / (R₁ + R₂) для PUT; заменяя R_B1 и R_B2 соответственно для однопереходного транзистора. Напряжение переключения определяется η.
• Однопереходные транзисторы и программируемые однопереходные транзисторы применяются для генераторов, схем синхронизации и запуска тиристоров.