Công tắc bóng bán dẫn đơn tiếp giáp

Transistor đơn tiếp giáp, hay gọi tắt là UJT, là một thiết bị bán dẫn ba cực khác có thể được sử dụng trong các ứng dụng cổng xung, mạch định thời và bộ tạo tín hiệu kích hoạt. Đặc tính chuyển mạch của transistor đơn tiếp giáp làm cho nó phù hợp để chuyển mạch và điều khiển thyristor hoặc triac trong các ứng dụng điều khiển nguồn điện xoay chiều.

Tương tự như điốt tiếp giáp PN, transistor đơn tiếp giáp được cấu tạo từ các vật liệu bán dẫn loại P và loại N riêng biệt để tạo thành một tiếp giáp PN duy nhất (do đó có tên là đơn tiếp giáp) bên trong kênh bán dẫn chính loại N của thiết bị điện này.

Mặc dù transistor đơn tiếp giáp có cùng tên gọi là transistor, nhưng đặc tính chuyển mạch của chúng khác biệt đáng kể so với các transistor lưỡng cực hoặc transistor hiệu ứng trường thông thường.

Vì không thể được sử dụng như một bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu, mà thay vào đó thường được sử dụng như một thiết bị chuyển mạch "bật" - "tắt", UJT thể hiện tính dẫn điện một chiều và trở kháng âm, hoạt động như một bộ chia điện áp biến đổi trong quá trình đánh thủng.

Thông tin cơ bản về transistor đơn tiếp giáp.

Tương tự như các FET kênh N khác, UJT bao gồm một mảnh vật liệu bán dẫn loại N rắn duy nhất tạo thành kênh dẫn điện chính, với hai mối nối bên ngoài được đánh dấu là đế 2 (B2) và đế 1 (B1).

Một kết nối thứ ba, được đánh dấu một cách khó hiểu là Cực phát (E), nằm dọc theo kênh; đầu cực phát được chỉ ra bằng một mũi tên chỉ từ cực phát loại P đến cực gốc loại N.

Mối nối phát xạ biến tính Pn của transistor đơn tiếp hợp được hình thành bằng cách nung chảy vật liệu loại P vào kênh silicon loại N. Tuy nhiên, các transistor đơn tiếp hợp kênh P với mối nối phát xạ loại N cũng có sẵn, nhưng ứng dụng của chúng bị hạn chế.

Mối nối cực phát được đặt dọc theo kênh sao cho gần cực B2 hơn cực B1. Một mũi tên được sử dụng trong ký hiệu UJT, chỉ về phía cực gốc để chỉ ra rằng cực phát là dương và dải silicon là âm.

Dưới đây là ký hiệu của một transistor đơn tiếp hợp tiêu chuẩn, cấu trúc cơ bản và mạch tương đương của nó.

Ký hiệu và cấu trúc của một transistor đơn tiếp giáp.

Lưu ý rằng ký hiệu của transistor trường tiếp giáp tích hợp (UJT) trông rất giống với ký hiệu của transistor trường tiếp giáp hiệu ứng (JFET), ngoại trừ việc nó có một mũi tên cong biểu thị đầu vào cực phát (E). Mặc dù tương tự nhau về kênh dẫn điện trở, JFET và UJT hoạt động rất khác nhau và không nên nhầm lẫn chúng.

Nguyên lý hoạt động của một transistor đơn tiếp giáp.

Vậy transistor kết hợp hoạt động như thế nào? Từ mạch tương đương ở trên, ta có thể thấy rằng một kênh loại N thường bao gồm hai điện trở RB2 và RB1 mắc nối tiếp qua các cực B1 và ​​B2. Điốt tương đương (lý tưởng) D đại diện cho một mối nối pn được nối với mối nối của RB2 và RB1.

Mối nối cực phát PN được cố định vị trí theo kênh ohmic trong quá trình sản xuất và do đó không thể thay đổi, điều này tạo nên đặc tính của thiết bị.

Điện trở RB1 được xác định giữa cực phát E và cực B1, trong khi điện trở RB2 được xác định giữa cực phát E và cực B2. Vì vị trí vật lý của mối nối pn gần cực B2 hơn cực B1, nên giá trị điện trở của RB2 nhỏ hơn giá trị điện trở của RB1.

Tổng trở của một thanh silicon (điện trở thuần) phụ thuộc vào mức độ pha tạp thực tế của chất bán dẫn, cũng như kích thước vật lý của các kênh silicon loại N, nhưng có thể được biểu diễn bằng RBB.

Khi đo bằng ôm kế, điện trở tĩnh điện này thường nằm trong khoảng từ 4kΩ đến 10kΩ đối với các transistor UJT thông dụng như 2N1671, 2N2646 hoặc 2N2647.

Hai bộ điện trở này tạo thành một mạch chia điện áp giữa hai cực gốc của transistor tích hợp một cực, và vì kênh này kéo dài từ B2 đến B1...

Khi đặt điện áp vào thiết bị, điện thế tại bất kỳ điểm nào dọc theo kênh tỷ lệ thuận với vị trí giữa các cực B2 và B1. Do đó, mức độ chênh lệch điện thế phụ thuộc vào lượng điện áp được đặt vào.

Khi được sử dụng trong mạch, đầu cực B1 được nối đất, và cực phát hoạt động như đầu vào của thiết bị, giả sử điện áp VBB được đặt vào UJT giữa B2 và B1, sao cho B2 được phân cực dương so với B1.

Khi điện áp đầu vào cực phát bằng 0, điện áp sinh ra trong RB1 (điện trở thấp hơn) của mạch chia điện áp bằng điện trở có thể được tính như sau:

Điện áp của Transistor đơn tiếp giáp RB1

Đối với transistor đơn tiếp giáp, tỷ lệ điện trở giữa RB1 và ​​RBB được thể hiện ở trên được gọi là tỷ lệ điện trở thực và được ký hiệu bằng chữ Hy Lạp: "η" (eta). Các giá trị tiêu chuẩn điển hình của η nằm trong khoảng từ 0,5 đến 0,8 đối với một transistor đơn tiếp giáp thông thường.

Nếu một điện áp dương nhỏ, nhỏ hơn điện áp do điện trở RB1 (ηVBB) tạo ra, được đặt vào các cực đầu vào phát, thì mối nối pn của điốt sẽ bị phân cực ngược. Do đó, nó có trở kháng rất cao và thiết bị trở nên không dẫn điện. UJT ở trạng thái "tắt" và dòng điện bằng không.

Tuy nhiên, khi điện áp đầu vào vào cực phát tăng lên và vượt quá VRB1 (hay ηVBB + 0,7V, trong đó 0,7V bằng điện áp rơi của điốt bán dẫn pn), mối nối pn trở nên phân cực thuận và transistor kết hợp bắt đầu dẫn điện. Kết quả là, dòng điện cực phát ηIE lúc này chảy từ cực phát vào vùng cực gốc.

Dòng điện phát bổ sung chảy vào cực gốc làm giảm điện trở kênh giữa mối nối phát và đầu cực B1. Việc giảm điện trở RB1 xuống giá trị rất thấp có nghĩa là mối nối phát nghiêng về phía trước nhiều hơn, dẫn đến dòng điện chảy cao hơn. Tác động của điều này là tạo ra điện trở âm tại đầu cực phát.

Tương tự, nếu điện áp đầu vào đặt giữa cực phát và cực B1 giảm xuống dưới điện áp đánh thủng, điện trở của RB1 sẽ tăng lên giá trị cao; khi đó, transistor đơn tiếp giáp có thể được coi là một thiết bị đánh thủng điện áp.

Do đó, ta có thể thấy rằng điện trở do RB1 tạo ra là biến đổi và phụ thuộc vào giá trị của dòng điện phát IE. Khi đó, việc đặt điện áp phân cực thuận vào mối nối phát so với B1 sẽ làm tăng dòng điện, làm giảm điện trở giữa cực phát E và B1.

Nói cách khác, dòng điện chạy vào cực phát của UJT làm giảm điện trở của RB1, và điện áp rơi trên VRB1 cũng phải giảm, khiến dòng điện chạy qua nhiều hơn và tạo ra điều kiện điện trở âm.

Sử dụng transistor đơn tiếp giáp.

Giờ đây, khi chúng ta đã hiểu cách hoạt động của transistor đơn tiếp giáp và những ứng dụng của nó, ứng dụng phổ biến nhất của transistor đơn tiếp giáp là làm thiết bị kích hoạt cho bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon và triac.

Các ứng dụng khác của transistor đơn tiếp hợp bao gồm: máy phát sóng răng cưa, mạch dao động đơn giản, mạch điều khiển pha và mạch định thời. Mạch UJT đơn giản nhất là mạch dao động thư giãn được sử dụng để tạo ra các dạng sóng không phải hình sin.

Trong một mạch dao động thư giãn UJT cơ bản và điển hình, cực phát của một transistor đơn tiếp hợp được nối với điểm nối của một điện trở và một tụ điện mắc nối tiếp trong mạch RC, như hình dưới đây.

Bộ dao động thư giãn transistor đơn tiếp giáp

Khi điện áp (Vs) được đặt vào lần đầu tiên, transistor đơn tiếp hợp "tắt hoàn toàn". Tụ điện C1 phóng điện hoàn toàn nhưng bắt đầu tích điện theo cấp số mũ thông qua điện trở R3 với tốc độ được xác định bởi hằng số thời gian RC của R3 và C1.

Vì cực phát của UJT được nối với một phía của tụ điện, khi điện áp nạp Vc trên tụ điện bằng hoặc lớn hơn điện áp rơi thuận của điốt bán dẫn pn, nó hoạt động như một điốt tín hiệu thuận, cho phép dòng điện chảy qua và kích hoạt UJT dẫn điện.

Trong transistor đơn tiếp giáp, transistor ở trạng thái "BẬT" tại thời điểm này. Cực phát đạt đến trở kháng B1 và ​​giảm xuống khi cực phát đi vào trạng thái bão hòa có trở kháng thấp, với dòng điện cực phát chảy qua R1.

Do giá trị điện trở của điện trở R1 rất thấp, tụ điện phóng điện nhanh chóng qua transistor UJT, và một xung điện áp đột ngột xuất hiện trên R1. Hơn nữa, vì tụ điện phóng điện qua transistor UJT nhanh hơn so với thời gian nạp điện qua điện trở R3, nên thời gian phóng điện ngắn hơn nhiều so với thời gian nạp điện do tụ điện phóng điện qua transistor UJT có trở kháng thấp.

Khi điện áp trên tụ điện giảm xuống dưới điểm neo của mối nối pn (VOFF), UJT "đóng" và không có dòng điện chạy vào mối nối phát, do đó tụ điện được nạp lại thông qua điện trở R3.

Quá trình sạc và xả giữa VON và VOFF được lặp đi lặp lại liên tục khi điện áp nguồn, Vs, được cấp vào.

Dạng sóng dao động UJT

Như vậy, ta thấy rằng mạch dao động đơn tiếp giáp liên tục bật và tắt mà không cần phản hồi. Tần số hoạt động của mạch dao động bị ảnh hưởng trực tiếp bởi giá trị của điện trở nạp R3 mắc nối tiếp với tụ điện C1 và giá trị của η.

Dạng xung đầu ra được tạo ra từ cực Base1 (B1) là dạng sóng răng cưa, và để điều khiển chu kỳ thời gian, bạn cần thay đổi điện trở R3, vì điều này thiết lập hằng số thời gian RC để sạc tụ điện.

Chu kỳ T của dạng sóng răng cưa được xác định bằng thời gian nạp cộng với thời gian xả của tụ điện. Vì thời gian xả τ1 thường rất ngắn so với thời gian nạp RC lớn hơn τ2, nên chu kỳ dao động gần như tương đương với T ≅ τ2. Do đó, tần số dao động được xác định bởi ƒ = 1/T.

Ví dụ hoạt động của mạch dao động UJT số 1

Thông số kỹ thuật của transistor đơn tiếp hợp 2N2646 cho biết hệ số chịu đựng thực tế: η là 0,65. Nếu sử dụng tụ điện 100nF để tạo xung định thời, hãy tính toán điện trở thời gian cần thiết để đạt được tần số dao động 100Hz.

1. Thời lượng (T) được định nghĩa như sau:

2. Giá trị của điện trở định thời R3 có thể được tính như sau:

Sau đó, giá trị của điện trở sạc cần thiết trong ví dụ đơn giản này được tính như sau: 95k3Ω hoặc 91k0Ω (dòng E24 với dung sai ±5%) là giá trị được ưu tiên. Tuy nhiên, có một số điều kiện cần thiết để mạch dao động thư giãn UJT hoạt động chính xác, vì giá trị điện trở R3 có thể quá lớn hoặc quá nhỏ.

Ví dụ, nếu giá trị của R3 quá lớn (tính bằng megohm), tụ điện có thể không tích đủ điện để kích hoạt transistor bán dẫn đơn tiếp nhận dẫn điện, nhưng nó phải đủ lớn để đảm bảo rằng transistor UJT tắt khi tụ điện xả điện xuống dưới ngưỡng kích hoạt.

Tương tự, nếu giá trị của R3 quá nhỏ (vài trăm ôm), khi được kích hoạt, dòng điện chảy vào các cực phát có thể đủ lớn để đẩy thiết bị vào trạng thái bão hòa, ngăn cản nó "tắt" hoàn toàn. Trong mọi trường hợp, mạch dao động đơn điểm sẽ không thể dao động được.

Mạch điều khiển tốc độ UJT

Một ứng dụng phổ biến của mạch transistor đơn tiếp hợp nêu trên là tạo ra một loạt xung để kích hoạt và điều khiển thyristor. Bằng cách sử dụng UJT làm mạch kích hoạt điều khiển pha kết hợp với SCR hoặc Triac, ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ AC hoặc DC đa năng như hình minh họa.

Điều khiển tốc độ bằng transistor đơn tiếp giáp.

Sử dụng mạch điện trên, ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ điện đa năng (hoặc bất kỳ loại tải nào ta muốn, chẳng hạn như máy sưởi, đèn, v.v.) bằng cách điều khiển dòng điện chạy qua SCR. Để điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần thay đổi tần số của các xung răng cưa, điều này được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị của biến trở.

Tóm tắt bài hướng dẫn về Transistor đơn tiếp giáp.

Chúng ta đã thấy rằng transistor đơn tiếp giáp, hay gọi tắt là UJT, là một thiết bị bán dẫn điện tử có một tiếp giáp pn duy nhất bên trong một kênh ohmic loại N (hoặc P) được pha tạp nhẹ. Một UJT có ba cực: một cực được ký hiệu là cực phát (E) và hai cực là cực gốc (B1 và ​​B2).

Hai tiếp điểm ohmic, B1 và ​​B2, được gắn vào mỗi đầu của kênh bán dẫn, với một điện trở giữa B1 và ​​B2 khi cực phát hở mạch, được gọi là điện trở giữa hai cực gốc (RBB). Khi đo bằng ôm kế, điện trở tĩnh điện này thường có giá trị xấp xỉ từ 4kΩ đến 10kΩ đối với một transistor lưỡng cực (UJT) điển hình.

Tỷ lệ giữa RB1 và ​​RBB được gọi là tỷ số khoảng cách thực và được ký hiệu bằng chữ số Hy Lạp: η (eta). Các giá trị tiêu chuẩn điển hình của η nằm trong khoảng từ 0,5 đến 0,8 đối với các UJT thông thường.

Transistor đơn tiếp giáp (UJT) là các thiết bị kích hoạt bán dẫn có thể được sử dụng trong nhiều loại mạch và ứng dụng khác nhau, từ việc kích hoạt thyristor và triac đến việc sử dụng chúng trong các bộ tạo sóng răng cưa cho các mạch điều khiển pha. Đặc tính trở kháng âm của UJT cũng làm cho chúng rất hữu ích như các bộ dao động thư giãn đơn giản.

Khi được kết nối như một bộ dao động tự do, nó có thể dao động tự do mà không cần đến mạch cộng hưởng LC phức tạp hoặc mạng phản hồi RC. Khi được kết nối theo cách này, một transistor đơn tiếp giáp có thể dễ dàng tạo ra các chuỗi xung có thời lượng khác nhau bằng cách thay đổi giá trị của một tụ điện (C) hoặc điện trở (R) duy nhất.

Các transistor đơn tiếp hợp thông dụng bao gồm 2N1671, 2N2646 và 2N2647, cùng nhiều loại khác. 2N2646 là loại transistor đơn tiếp hợp phổ biến nhất được sử dụng trong các mạch tạo xung, transistor răng cưa và mạch trễ thời gian.

Các loại transistor đơn tiếp giáp khác hiện có được gọi là transistor đơn tiếp giáp lập trình được (Programmable UJT), cho phép thiết lập các thông số chuyển mạch thông qua một điện trở ngoài. Các transistor đơn tiếp giáp lập trình được phổ biến nhất là 2N6027 và 2N6028.