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单结晶体管(UJT)

发布时间:2025-03-09 09:21:46   来源:米乐mile官方网站

  )是一种三端半导体器件,具有负电阻和开关特性,用于相位控制应用中的弛豫振荡器。

  单结晶体管(简称UJT)是另一种固态三端器件,可用于门脉冲、定时电路和触发发生器应用,以开关和控制晶闸管和三端双向可控硅(Triac),用于交流功率控制类型的应用。

  与二极管一样,单结晶体管由P型和N型半导体材料构成,在器件的主要导电N型沟道内形成一个单一的(因此得名单结)PN结。

  尽管单结晶体管的名字中有“晶体管”,但其开关特性与传统的双极型或场效应晶体管非常不同,因为它不能用于放大信号,而是用作开关晶体管。UJT具有单向导电性和负阻抗特性,在击穿时更像一个可变分压器。

  与N沟道场效应晶体管(FET)类似,UJT由一块N型半导体材料构成,形成主要载流沟道,其两个外部连接标记为基极2(B2)和基极1(B1)。第三个连接,令人困惑地标记为发射极(E),位于沟道中。发射极端子由一个箭头表示,从P型发射极指向N型基极。

  单结晶体管的发射极整流PN结是通过将P型材料熔入N型硅沟道形成的。然而,带有N型发射极的P沟道UJT也是可用的,但很少使用。

  发射结沿沟道定位,使其比B1更靠近B2端子。UJT符号中使用了一个箭头,指向基极,表示发射极端子为正,硅棒为负材料。下图显示了UJT的符号、结构和等效电路。

  请注意,单结晶体管的符号与结型场效应晶体管(JFET)的符号非常相似,只是它有一个弯曲的箭头表示发射极(E)输入。尽管它们的欧姆沟道相似,但JFET和UJT的工作方式非常不同,不应混淆。

  那么它是如何工作的呢?我们大家可以从上面的等效电路中看到,N型沟道基本上由两个电阻RB2和RB1串联组成,中间连接一个等效(理想)二极管D,表示PN结。这个发射极PN结在制作的完整过程中沿欧姆沟道固定,因此无法更改。

  电阻RB1位于发射极E和端子B1之间,而电阻RB2位于发射极E和端子B2之间。由于PN结的物理位置比B1更靠近B2,RB2的电阻值将小于RB1。

  硅棒的总电阻(其欧姆电阻)取决于半导体的实际掺杂水平以及N型硅沟道的物理尺寸,但可以用RBB表示。如果用欧姆表测量,大多数常见UJT(如2N1671、2N2646或2N2647)的静态电阻通常在4kΩ到10kΩ之间。

  这两个串联电阻在单结晶体管的两个基极端子之间形成一个分压网络,由于该沟道从B2延伸到B1,当在器件上施加电压时,沿沟道任何点的电位将与它在B2和B1端子之间的位置成比例。因此,电压梯度的水平取决于电源电压的大小。

  在电路中,端子B1接地,发射极作为器件的输入。假设在UJT的B2和B1之间施加电压VBB,使得B2相对于B1为正偏置。当施加零发射极输入时,电阻分压器RB1(较低电阻)上的电压可以计算为:

  对于单结晶体管,RB1与RBB的电阻比称为本征分压比,用希腊符号η(eta)表示。大多数常见UJT的典型标准η值范围为0.5到0.8。

  如果现在向发射极输入端子施加一个小于电阻RB1(ηVBB)上电压的小正输入电压,二极管PN结将反向偏置,从而提供非常高的阻抗,器件不导通。UJT处于“关闭”状态,没有电流流动。

  然而,当发射极输入电压增加并超过VRB1(或ηVBB + 0.7V,其中0.7V等于PN结二极管压降)时,PN结变为正向偏置,单结晶体管开始导通。结果是发射极电流ηIE现在从发射极流入基极区域。

  额外的发射极电流流入基极的效果是减少了发射结与B1端子之间的沟道电阻部分。RB1电阻值降低到非常低的值意味着发射结变得更正向偏置,导致更大的电流流动。这种效果导致发射极端子出现负电阻。

  同样,如果施加在发射极和B1端子之间的输入电压降低到击穿值以下,RB1的电阻值将增加到高值。因此,单结晶体管可以被视为一种电压击穿器件。

  因此,我们大家可以看到RB1呈现的电阻是可变的,并且取决于发射极电流IE的值。然后,相对于B1正向偏置发射结会导致更多电流流动,从而减少发射极E和B1之间的电阻。

  换句话说,流入UJT发射极的电流导致RB1的电阻值降低,其上的电压降VRB1也必须降低,允许更多电流流动,产生负电阻条件。

  现在我们知道单结晶体管是如何工作的,它们可以用于什么。单结晶体管最常见的应用是作为SCR和Triac的触发器件,但其他UJT应用包括锯齿波发生器、简单振荡器、相位控制和定时电路。所有UJT电路中最简单的是产生非正弦波形的弛豫振荡器。

  在基本和典型的UJT弛豫振荡器电路中,单结晶体管的发射极端子连接到串联电阻和电容RC电路的连接点,如下所示。

  当首次施加电压(Vs)时,单结晶体管处于“关闭”状态,电容器C1完全放电,但开始通过电阻R3指数充电。由于UJT的发射极连接到电容器,当电容器上的充电电压Vc大于二极管压降值时,PN结表现为正常二极管并变为正向偏置,触发UJT导通。单结晶体管处于“开启”状态。此时,发射极到B1的阻抗崩溃,发射极进入低阻抗饱和状态,发射极电流通过R1流动。

  由于电阻R1的欧姆值非常低,电容器通过UJT迅速放电,R1上出现快速上升的电压脉冲。此外,由于电容器通过UJT放电的速度比通过电阻R3充电的速度快,放电时间比充电时间短得多,因为电容器通过低电阻UJT放电。

  当电容器上的电压降低到PN结的保持点(VOFF)以下时,UJT“关闭”,没有电流流入发射结,因此电容器再次通过电阻R3充电,只要施加电源电压Vs,VON和VOFF之间的充电和放电过程就会不断重复。

  然后我们能够正常的看到,单结振荡器在没有反馈的情况下不断“开启”和“关闭”。振荡器的工作频率直接受充电电阻R3的值(与电容器C1串联)和η值的影响。从基极1(B1)端子生成的输出脉冲形状是锯齿波形,要调节时间周期,只需改变电阻R3的欧姆值,因为它设置了充电电容器的RC时间常数。

  锯齿波形的时间周期T将给出为电容器的充电时间加上放电时间。由于放电时间τ1通常比较大的RC充电时间τ2短得多,振荡的时间周期大致等于T ≅ τ2。因此,振荡频率由ƒ = 1/T给出。

  2N2646单结晶体管的数据表给出的本征分压比η为0.65。如果使用100nF电容器生成定时脉冲,计算产生100Hz振荡频率所需的定时电阻。

  然后,在这个简单示例中,所需的充电电阻值计算为最接近的优选值95.3kΩ。然而,UJT弛豫振荡器要正确工作,需要满足某些条件,因为R3的电阻值可能太大或太小。

  例如,如果R3的值太大(兆欧级),电容器可能无法充分充电以触发单结晶体管的发射极导通,但也必须足够大以确保一旦电容器放电到低于较低触发电压时,UJT能够“关闭”。

  同样,如果R3的值太小(几百欧姆),一旦触发,流入发射极端子的电流可能足够大,使器件进入饱和区域,阻止其完全“关闭”。无论哪种情况,单结振荡器电路都无法振荡。

  上述单结晶体管电路的一个典型应用是生成一系列脉冲以触发和控制晶闸管。通过将UJT用作相位控制触发电路与SCR或Triac结合,我们大家可以调节通用交流或直流电机的速度,如图所示。

  使用上述电路,我们大家可以通过调节流经SCR的电流来控制通用串励电机(或我们想要的任何类型负载,如加热器、灯等)的速度。要控制电机的速度,只需改变锯齿脉冲的频率,这是通过改变电位器的值来实现的。

  我们已经看到,单结晶体管(简称UJT)是一种电子半导体器件,在N型(或P型)轻掺杂欧姆沟道内只有一个PN结。UJT有三个端子,一个标记为发射极(E),两个标记为基极(B1和B2)。

  两个欧姆接触B1和B2分别连接在半导体沟道的两端,当发射极开路时,B1和B2之间的电阻称为基极间电阻RBB。如果用欧姆表测量,大多数常见UJT(如2N1671、2N2646或2N2647)的静态电阻通常在4kΩ到10kΩ之间。

  RB1与RBB的比值称为本征分压比,用希腊符号η(eta)表示。大多数常见UJT的典型标准η值范围为0.5到0.8。

  单结晶体管是一种固态触发器件,可用于各种电路和应用,从触发晶闸管和Triac到用于相位控制电路的锯齿波发生器。UJT的负电阻特性也使其非常有用,可以用作简单的弛豫振荡器。

  当连接为弛豫振荡器时,它可以在没有谐振电路或复杂RC反馈网络的情况下独立振荡。当以这种方式连接时,单结晶体管能够通过简单地改变单个电容器(C)或电阻(R)的值来生成一系列不同持续时间的脉冲。

  常见的单结晶体管包括2N1671、2N2646、2N2647等,其中2N2646是最流行的UJT,用于脉冲和锯齿波发生器以及时间延迟电路。其他类型的单结晶体管器件称为可编程UJT,其开关参数能够最终靠外部电阻设置。最常见的可编程单结晶体管是2N6027和2N6028。



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