Любительская Радиоэлектроника
Устройства на однопереходных транзисторах
Однопереходные транзисторы (двухбазовые диоды) широко применяются в различных устройствах автоматики, импульсной и измерительной техники — генераторах, пороговых устройствах, делителях частоты, реле времени и т. д.
Одним из основных типов устройств на однопереходных транзисторах является релаксационный генератор, схема которого показана на рис. 1а. При включении питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Как только напряжение на конденсаторе становится равным напряжению включения однопереходного транзистора Т1, его эмиттерный переход открывается и конденсатор быстро разряжается. По мере разряда конденсатора эмиттерный ток уменьшается и при достижении величины, равной току выключения, транзистор закрывается, после чего процесс повторяется снова. В результате на базах Б1 и Б2 возникают короткие разно — полярные импульсы, которые и являются выходными сигналами генератора.
Рис. 1. Устройства на однопереходном транзисторе. Релаксационный генератор (a) , устройство сравнения напряжений (b)
При включении питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Как только напряжение на конденсаторе становится равным напряжению включения однопереходного транзистора Т1, его эмиттерный переход открывается и конденсатор быстро разряжается. По мере разряда конденсатора эмиттерный ток уменьшается и при достижении величины, равной току выключения, транзистор закрывается, после чего процесс повторяется снова. В результате на базах Б1 и Б2 возникают короткие разно — полярные импульсы, которые и являются выходными сигналами генератора.
Частоту колебаний f генератора можно рассчитать по приближенной формуле:
где: R — сопротивление резистора R1, Ом; С—емкость конденсатора С1, Ф; �— коэффициент передачи однопереходного транзистора.
При заданной частоте колебаний емкость конденсатора следует выбрать возможно большей с тем, чтобы получить на нагрузке (R2 или R3) сигнал с нужной амплитудой. Важным достоинством генератора на однопереходном транзисторе является то, что частота его колебаний незначительно зависит от величины питающего напряжения. Практически изменение напряжения от 10 до 20 В приводит к изменению частоты всего на 0,5%.
Если вместо резистора R1 в зарядную цепь включить фотодиод, фоторезистор, терморезистор или другой элемент, изменяющий свое сопротивление под действием внешних факторов (света, температуры, давления и т. д.), то генератор превращается в аналоговый преобразователь соответствующего физического параметра в частоту следования импульсов.
Несколько изменив схему, как показано на рис. 1 b , этот же генератор можно превратить в устройство сравнения напряжений. В этом случае базовые цепи транзистора подключают к источнику эталонного напряжения, а зарядную цепь — к исследуемому источнику. Когда напряжение последнего превысит напряжение включения, устройство начнет генерировать импульсы положительной полярности.
В устройстве, схема которого показана на рис. 2, конденсатор заряжается через резистор R4 и сопротивление участка эмиттер — коллектор биполярного транзистора Т1. В остальном работа этого генератора не отличается от описанного ранее. Зарядный ток, а, следовательно, и частоту пилообразного напряжения, снимаемого в этом случае с эмиттера однопереходного транзистора Т2, регулируют изменением напряжения смещения на базе транзистора Т1 с помощью подстроечного резистора R2. Отклонение линейности формы колебаний, вырабатываемых таким устройством, не превышает 1%
Рис. 2. Устройства на однопереходном транзисторе. Генератор пилообразного напряжения
Моментом включения однопереходного транзистора можно управлять, подавая импульс положительной полярности в цепь эмиттера или отрицательной полярности в цепь базы Б2. На этом принципе основана работа ждущего мультивибратора, схема которого приведена на рис. 3а.
Для получения нужного режима работы максимальное напряжение на конденсаторе С1, зависящее от соотношения сопротивлений резисторов делителя R1R2, устанавливают меньшим напряжения включения транзистора. Разность этих напряжений выбирают с учетом возможных помех в цепи запуска, которые могут привести к ложным срабатываниям устройства. При подаче импульса отрицательной полярности в цепь базы Б2 межбазовое напряжение UБ1Б2 уменьшается (модулируется), в результате транзистор Т1 открывается и на базе Б1 возникает импульс положительной полярности.
Рис. 3. Устройства на однопереходном транзисторе. Ждущий мультивибратор ( а ) , Генератор пилообразного напряжения ( б )
Однопереходные транзисторы применяют и в генераторах напряжения ступенчатой формы. На вход такого устройства (см. рис. 3б) подают сигнал симметричной (синусоидальной, прямоугольной и т, д.) формы. При положительной полуволне сигнала конденсатор С1 заряжается через резистор R2 и сопротивление участка эмиттер-коллектор транзистора Т1 до некоторого напряжения, значительно меньшего напряжения включения однопереходного транзистора Т2. За время действия следующей положительной полуволны напряжение на конденсаторе ступенчато возрастает на такую же величину и так до тех пор, пока не станет равным напряжению включения транзистора Т2.Напряжение ступенчатой формы снимается с его эмиттера.
На использовании этого принципа основана работа делителей частоты. Один каскад на однопереходном транзисторе способен обеспечить коэффициент деления до 5. Объединив в единое целое несколько таких устройств, можно получить делитель с гораздо большим коэффициентом деления. Для примера на рис.4 приведена схема делителя частоты на 100. Первый каскад устройства делит частоту поступающих на его вход импульсов положительной полярности на 4, два других — на 5.
Рис. 4. Устройства на однопереходном транзисторе. Делитель частоты на 100
Как видно из схемы, каскады делителя частоты отличаются друг от друга только сопротивлениями резисторов в цепях заряда конденсаторов С1—СЗ. Постоянная времени заряда конденсатора С1 определяется резисторами Rl, R2. R4 и R6; С2 — резисторами R3. R4 и R6; C3—R5 и R6. При включении питания конденсаторы С1—СЗ начинают заряжаться. Импульсы напряжения положительной полярности, поступающие на вход устройства, складываются с напряжением на конденсаторе С1 и как только их сумма достигает величины, равной напряжению включения, однопереходный транзистор открывается и конденсатор разряжается через его эмиттерный переход. В результате скачком увеличивается падение напряжения на резисторах R4 и R6, а это приводит к уменьшению межбазовых напряжений транзисторов Т2 и ТЗ. Однако транзистор Т2 откроется только тогда, когда напряжение на конденсаторе С2 станет достаточным для его включения при пониженном межбазовом напряжении. Аналогично работает и третий каскад делителя.
Рис. 5. Устройства на однопереходном транзисторе. Реле времени
Схема реле времени, отличающегося очень высокой экономичностью, приведена на рис. 5. В исходном состоянии тиристор Д3 закрыт, поэтому устройство практически не потребляет энергии (токи утечки невелики и ими можно пренебречь). При подаче на управляющий электрод запускающего импульса положительной полярности тиристор открывается. В результате срабатывает реле Р1 и своими контактами (на схеме условно не показаны) включает исполнительное устройство. Одновременно через резисторы R1 и R2 начинают заряжаться конденсаторы С1 и С2. Поскольку сопротивление первого из этих резисторов во много раз больше второго, то первым зарядится конденсатор С2, а когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет величины напряжения включения, однопереходный транзистор откроется и конденсатор С1 разрядится через его эмиттерный переход. Возникший при этом на резисторе R2 импульс положительной полярности сложится с напряжением на конденсаторе С2, в результате чего тиристор Д3 закроется и обесточит реле Р1 до прихода следующего запускающего импульса.
Рис. 6. Устройства на однопереходном транзисторе. Аналоговый преобразователь напряжения в частоту
Устройство, схема которого приведена на рис. 6, предназначено для аналогового преобразования напряжения в частоту. Здесь транзистор Т2 использован в релаксационном генераторе, Т1 вместе с резисторами R1 и R2 включен в зарядную цепь конденсатора С1. При изменении напряжения на базе транзистора Т1 изменяется сопротивление его участка эмиттер—коллектор, а следовательно, в зависимости от величины входного напряжения однопереходный транзистор Т2 открывается с большей или меньшей частотой. По частоте следования импульсов, снимаемых с нагрузочного резистора R3 в цепи базы Б1 можно судить о напряжении на входе устройства.
Помимо биполярных и полевых транзисторов существует так называемый однопереходный транзистор (ОПТ), представляющий собой кристалл полупроводника, в котором создан p-n переход, называемый инжектором:
Этим переходом кристалл полупроводника разделяется как бы на две области базы. Поэтому однопереходный транзистор имеет и другое широко распространённое название — двухбазовый диод. Принцип действия транзистора основан на изменении объёмного сопротивления полупроводника базы при инжекции. В отличии от биполярных и полевых транзисторов однопереходный транзистор представляет собой прибор с отрицательным сопротивлением. Это означает, что в определённых условиях входное напряжение или сигнал могут уменьшаться даже при возрастании выходного тока через нагрузку. Когда однопереходный транзистор находится во включённом состоянии, выключить его можно только разомкнув цепь, либо сняв входное напряжение.
Участок между базами образован кремниевой пластиной n-типа и имеет линейную вольтамперную характеристику, т.е. ток через этот участок прямо пропорционален приложенному межбазовому напряжению. При отсутствии напряжения на эмиттере (относительно Б1) за счёт проходящего I2 в базе 1 внутри кристалла создаётся падение напряжения Uвн, запирающее p-n переход, При подаче на вход небольшого напряжения Uвх= Uвн переход смещается в прямом направлении и начинается инжекция носителей заряда (дырок) в базы, приводящая к снижению их сопротивления. При этом уменьшается падение напряжения Uвн, что приводит к лавинообразному отпиранию перехода — участок II на вольт-амперной характеристике:
Участок III, справа от минимума, где эмиттерный ток ограничивается только сопротивлением насыщения, называется областью насыщения. При уменьшении эмиттерного напряжения до Uвх 0.7 — коэффициент нейтрализации. Откуда Re=(0.1. 0.2)Rн.
Иногда с целью повышения термостабильности напряжения Umax, в цепь базы 2 вводят резистор R1. Резистор R2 вводят при необходимости снятия сигнала с базы 1. Его номинал рассчитывают исходя из межбазового тока и заданной амплитуды снимаемого сигнала. Обычно номинал этого резистора не превышает 100 Ом и только в отдельных случаях достигает 3кОм. Для типового однопереходного транзистора (КТ117А, Б) сопротивление Rе лежит в пределах 4. 9 кОм, а рабочее напряжение находится в пределах 10. 30 В. С помощью резисторов R1, R2 в некоторых пределах можно регулировать порог срабатывания однопереходного транзистора.
Рассмотрим простейший генератор пилообразного напряжения:
Как правило, для получения низкого сопротивления в качестве буферного каскада применяют эмиттерный повторитель. Предположим, что статический коэффициент передачи тока транзистора VT2 h21э=50, R2=1кОм. Тогда Rн=(h21э+1)R2 =(50+1)*1=51кОм. Отсюда R1=(0.1. 0.2)Rн=5.1. 10кОм. Поскольку напряжение Uemin=2B, a Uэб=0.6B
При реализации эмиттерного повторителя на p-n-p транзисторе можно добиться некоторого улучшения рабочих характеристик, т.к. сопротивление нагрузки включается параллельно резистору R1, следовательно исключается опасность прекращения генерации из-за никого значения статистического коэффициента передачи тока транзистора или сопротивления в эмиттере. Более того, коллекторный ток утечки биполярного транзистора вычитается из эмиттерного тока утечки однопереходного транзистора, чем достигается частичная термостабилизация.
Простейший способ линеаризации пилообразного напряжения:
Применение дополнительного источника повышенного напряжения позволяет существенно увеличить номинал токозадающего резистора, что эквивалентно заряду от генератора тока. Недостаток этого способа — необходимость применения дополнительного источника.
Линеаризация с помощью конденсаторной "вольтдобавки" (следящей обратной связи):
Введение резистора R1 позволяет использовать базу 2 для синхронизации выходного напряжения.
Возможный вариант стабилизации зарядного тока со следящей обратной связью с помощью стабилитрона:
Введение дополнительного источника отрицательного напряжения постоянного тока также способствует линеаризации.
Другой способ линеаризации с помощью ГСТ:
Применение интегратора позволяет получить напряжение пилы от вогнутой до выпуклой формы:
Желаемой формы добиваются подбором резистора R3.
Возможный вариант мультивибратора:
Для получения сигнала типа "меандер" необходимо выполнить условия: R2=2R1. Работает мультивибратор следующим образом. При зарядке конденсатора транзистор VT2 открыт током заряда. Время заряда определяет постоянная времени R1C1. При включении однопереходного транзистора базоэмиттерный переход VT2 за счёт напряжения на конденсаторе смещается в обратном направлении и транзистор VT2 закрывается.
Разновидность однопереходного транзистора — программируемый однопереходный транзистор (ПОПТ) — четырёхслойный прибор, структура которого аналогична структуре тиристора за исключением того, что используется анодное управление в отличие от катодного управления у тиристора. ОПТ и ПОПТ обладают аналогичными характеристиками, однако напряжение включения ПОПТ программируется и может задаваться с помощью внешнего делителя напряжения. В отличии от ОПТ, ПОПТ более быстродействующий и чувствительный прибор. Исходя из эквивалентной схемы
можно сделать вывод, что программируемый однопереходный транзистор представляет собой выключаемый тиристор с анодным управлением. При подаче на управляющий электрод (эмиттер) более отрицательного относительно анода (база 2) напряжения ПОПТ переходит из режима отсечки во включённое состояние. Для обеспечения функционирования ПОПТ в режиме однопереходного транзистора требуется на управляющем электроде ПОПТ поддерживать внешнее опорное напряжение, которое по существу совпадает с точкой максимума. Поскольку опорное напряжение определяется параметрами внешнего делителя, его можно сделать переменным. Эта особенность и является главным отличием обычного однопереходного транзистора от программируемого однопереходного транзистора.
Пожалуй, наибольшее применение однопереходные транзисторы нашли в различных регуляторах мощности. рассмотрим несколько практических схем применения.
Фазоимпульсный регулятор мощности паяльника (до 100Вт):
работает следующим образом. Положительная полуволна питающего напряжения проходит в нагрузку практически без ослабления через диод VD2. Релаксационный генератор питается пульсирующим напряжением (в течении отрицательной полуволны), ограниченным стабилитроном VD1 на уровне 24В. С появлением каждой отрицательной полуволны конденсатор С1 начинает заряжаться через цепь R2, R4. Скорость зарядки можно регулировать переменным резистором R2. Как только напряжение на конденсаторе достигнет порога открывания транзистора VT1, на управляющий электрод тиристора VS1 поступает положительный импульс и тиристор открывается до конца полупериода. Таким образом, изменением постоянной времени фазосдвигающей цепи R2C1 осуществляется регулирование мощности, отдаваемой в нагрузку.
Простой светорегулятор на эквиваленте ПОПТ:
Постоянная времени цепи R4C1 выбрана равной примерно 10мс.
Применение реле времени на однопереходном транзисторе в автомате — ограничителе включения света:
Такой автомат может использоваться, например в общих коридорах с целью экономии электроэнергии. Необходимое время включённого состояния устанавливается подстроечным резистором R3. После заряда конденсатора до напряжения включения однопереходного транзистора, т.е. после его включения, конденсатор С1 на короткое время создаёт на аноде тиристора VS1 отрицательное напряжение и тем самым выключает его.
Простой автоматический регулятор освещённости:
может найти применение на рабочих местах, где высоки требования к постоянству освещённости.
Все рассмотренные схемы, помимо создаваемых ими помех, имеют один существенный недостаток. Так как через диоды моста течёт ток нагрузки, их необходимо выбирать соответствующей мощности или устанавливать на радиаторы, что ухудшает массогабаритные показатели.
Применение подобных регуляторов для регулирования числа оборотов двигателя имеет некоторые особенности.
Во-первых, коллекторные двигатели требуют расширения управляющего импульса до конца полупериода во избежание нестабильности работы из-за выключения тиристора или симистора при искрении щёток, т.е. при разрыве цепи. Во-вторых, для стабилизации числа оборотов независимо от нагрузки необходимо введение обратной связи по току или по напряжению, т.к. с увеличением нагрузки на валу падают обороты двигателя, уменьшается комплексное сопротивление нагрузки и соответственно увеличивается непроизводительное потребление тока.
Пример стабилизированного регулятора реверсивного двигателя:
Подбором резистора R1 (обратная связь по напряжению) добиваются минимальной зависимости числа оборотов двигателя от изменения нагрузки.
Применение импульсного трансформатора позволяет разгрузить диодный мост и тем самым улучшить массогабаритные показатели регулятора. Стабилизированный регулятор числа оборотов двигателя:
В данном регуляторе применена обратная связь по току с помощью резистора R7. В качестве импульсного трансформатора можно применить МИТ-4 или выполнить его на магнитопроводе типоразмера К16х10х4.5 из феррита М2000НМ. Обмотки содержат по 100 витков провода ПЭЛШО 0.12. Возможный вариант замены МИТ-4 двумя оптопарами показан на этом рисунке:
Регулятор мощности нагрузки до 1кВт:
Импульсный трансформатор тот же, что и в предыдущей схеме. Замена симистора двумя тиристорами показана на рисунке:
Все три обмотки импульсного трансформатора Т1 содержат по 100 витков. При этом мощность нагрузки можно увеличить до 2кВт.
В заключении необходимо отметить, что все рассмотренные регуляторы мощности имеют один существенный недостаток — создают большие импульсные радиопомехи как в сети, так и в окружающем пространстве, т.к. выключение симистора или тиристора происходит по окончании полупериода, а их включение, за счёт фазового регулирования, в пределах полупериода. Интенсивность радиопомех зависит от амплитуды мгновенного напряжения, при котором открывается тиристор, мощности нагрузки, длины соединительных проводников и ряда других причин. Отсюда следует, что максимальные помехи возникают на среднем участке регулировочной характеристики.
Особенность однопереходного транзистора состоит в том, что он имеет вольт-амперную характеристику 5-образной формы.
На выходе автоколебательного генератора на однопереходном транзисторе (рис. 5.17, а) формируются короткие импульсы отрицательной полярности (обратной полярности источника питания) с экспоненциальным спадом вершины импульса.
После включения источника питания конденсатор С начинает заряжаться через резистор R. Поскольку сопротивление г намного меньше сопротивления /?, то напряжение на эмиттере транзистора определяется напряжением на конденсаторе. По мере зарядки конденсатора напряжение на эмиттере возрастает и в определенный момент времени превысит напряжение включения транзистора, равное (/вкл, и однопереходный транзистор включится. Конденсатор С быстро разряжается через резистор с малым сопротивлением г и эмиттерную цепь включенного транзистора. Когда ток эмиттера возрастет до значения тока выключения /выкл, транзистор выключится, и начнется новый цикл зарядки конденсатора. За время разрядки на резисторе с сопротивлением г вырабатывается импульс напряжения, создаваемый разрядным током.
Для получения расчетных соотношений используем линейную аппроксимацию ВАХ однопереходного транзистора на отдельных участках (рис. 5.17, б). Согласно данной аппроксимации первому восходящему участку ВАХ соответствует эквивалентная схема в виде резистора с большим сопротивлением. Второму восходящему участку ВАХ соответствует эквивалентная схема, в которой напряжение равно напряжению отсечки, а сопротивление определяется по углу наклона аппроксимационной кривой ВАХ на втором восходящем участке.
Для того чтобы в схеме существовали релаксационные колебания, линия нагрузки должна пересекать ВАХ транзистора на участке отрицательного сопротивления. Поэтому сопротивление R выбирают из следующего условия:
?^выкл )/^выкл > ^тах = — ^вкл )/Аыкл = ^
= Увкл/Е* ^выкл и 4кл — напряжение выключения и ток включения однопереходного транзистора соответственно.
Если /? > /?тах, то после включения источника питания напряжение на конденсаторе будет недостаточным для включения однопереходного транзистора, и он не включится. Если же R
