ترانزیستور تک پیوندی
ترانزیستور تک پیوندی یا (UJT) نوعی قطعه ی سه ترمیناله ی نیمه هادی است که می تواند در کاربردهای مدارات زمان بندی و تریگر برای کنترل و سوئیچ ترایاک ها و تریستورهایی استفاده شود که در سیستم های کنترل توان AC به کار می روند. مانند دیودها، ترانزیستورهای تک پیوندی از مواد نیمه هادی نوع N و نوع P به طور جداگانه ساخته شده اند که یک پیوند P-N منفرد (به همین دلیل تک پیوندی نامیده می شوند) درون کانال اصلی هدایت کننده ی نوع N قطعه تشکیل می دهد.
گرچه ترانزیستور تک پیوندی نام ترانزیستور دارد، ولی مشخصات سوئیچینگ آن با مشخصات سوئیچینگ ترانزیستورهای دو قطبی پیوندی و یا ترانزیستورهای اثر میدان بسیار متفاوت است. این ترانزیستورها نمی توانند برای تقویت سیگنال استفاده شوند ولی در عوض به عنوان ترانزیستور سوئیچینگ (خاموش-روشن) می تواند به کار رود. UJT ها دارای خواص هدایت یک طرفه و امپدانس منفی می باشند که باعث شده در هنگام شکست بیشتر شبیه یک تقسیم کننده ی ولتاژ متغیر عمل کنند.
مانند فت های کانال N ،ترانزیستورهای تک پیوندی نیز شامل یک قطعه ی نیمه هادی نوع N می باشد که کانال اصلی انتقال جریان را تشکیل می دهد با دو اتصال بیرونی اش که به نام های بیس 2 (B2) و بیس 1 (B1) علامت گذاری شده اند.اتصال سوم امیتر (E) نام گذاری شده است که در طول کانال واقع شده است. ترمینال امیتر توسط یک فلش که از طرف امیتر نوع P به سمت بیس نوع N اشاره می کند، نمایش داده می شوند.
ایجاد امیتر در پیوند P-N ترانزیستور تک پیوندی ، به وسیله ی ذوب نمودن ماده ی نیمه هادی نوع P درون کانال سیلیکونی نوع N انجام می شود. ولی UJT های کانال P با امیتر نوع N نیز موجود هستند ولی این نوع کمتر استفاده می شود.
پیوند امیتر در طول کانال به نحوی قرار می گیرد که به ترمینال B2 نزدیکتر باشد. در نماد مداری UJT از یک فلش استفاده می شود که به سمت بیس اشاره می کند و نشان دهنده ی این است که ترمینال امیتر مثبت بوده و نوار سیلیکونی یک ماده ی منفی است. در ادامه نماد مداری، ساختار و مدار معادل UJT نشان داده شده است.
نماد مداری و ساختار ترانزیستور تک پیوندی
دقت کنید که نماد مداری ترانزیستور تک قطبی بسیار شبیه نماد مداری ترانزیستور اثر میدان پیوندی یا JFET است، به جز این که در این حالت یک فلش کج وجود دارد که نشان دهنده ی ورودی امیتر می باشد. با وجود این که JFET ها و UJT ها در رابطه با مقاومت اهمی کانال مشابه هستند ولی بسیار متفاوت عمل می کنند و نباید در این مورد گیج شد.
پس این قطعه چگونه کار می کند؟ با توجه به مدار معادل فوق می توان دید که کانال نوع N اساسا شامل دو مقاومت RB1 و RB2 می باشد که به صورت سری با یک دیود ایده آل (D) قرار گرفته که بیانگر پیوند P-N بوده و به مرکز مقاومت ها اتصال یافته است. این امیتر پیوند P-N در طی فرآیند ساخت در طول کانال اهمی در موقعیت ثابتی قرار می گیرد و نمی تواند تغییر کند.
مقاومت RB1بین امیتر و ترمینال B1 قرار گرفته در حالی که مقاومت RB2 بین امیتر و ترمینال B2 واقع شده است. از آنجایی که موقعیت فیزیکی پیوند P-N به ترمینال B2 نزدیکتر از ترمینال B1 است، مقدار مقاومت RB2 کمتر از مقاومت RB1 است.
مقاومت کلی نوار سیلیکونی (مقاومت اهمی) به سطح واقعی ناخالصی نیمه هادی ها و ابعاد فیزیکی کانال سیلیکونی نوع N بستگی خواهد داشت و با RBB نشان داده می شود. اگر با یک اهم متر آن را اندازه گیری کنیم، مقدار این مقاومت استاتیکی در اکثر UJT ها از قبیل 2N1671, 2N2646 و 2N2647 چیزی بین 4 کیلو اهم و 10 کیلو اهم اندازه گیری می شود.
این دو مقاومت سری یک شبکه ی تقسیم ولتاژ بین دو ترمینال بیس ترانزیستور تک قطبی ایجاد می کنند و از آنجایی که این کانال از B2 به سمت B1 کشیده شده است، زمانی که ولتاژی به قطعه اعمال شود، مقدار پتانسیل هر نقطه در طول کانال متناسب با موقعیت آن بین ترمینال های B1 و B2 خواهد بود. بنابراین گرادیان ولتاژ به مقدار ولتاژ تغذیه بستگی دارد.
وقتی در یک مدار به کار می رود، ترمینال B1 به زمین وصل می شود و امیتر به عنوان ترمینال ورودی قطعه به شمار می رود. فرض کنید ولتاژ VBBبه دو ترمینال B1 و B2 در یک UJT اعمال می شود به نحوی که ولتاژ ترمینال B2 نسبت به B1 مثبت بایاس می شود. اگر ولتاژ ورودی به امیتر صفر باشد، ولتاژ دو سر RB1(مقاومت پائینی) در تقسیم کننده ی ولتاژ مقاومتی، می تواند به صورت زیر محاسبه شود :
ولتاژ RB1 در ترانزیستور تک پیوندی
در ترانزیستور تک پیوندی، نسبت مقاومت RB1 به RBB که در بالا نشان داده شده است، نسبت تقابل درونی (intrinsic stand-off ratio) نامیده می شود و با حرف یونانی (η) نشان داده می شود. مقادیر استاندارد معمول برای η در اکثر UJT ها بین 0.5 تا 0.8 قرار دارد.
اگر یک ولتاژ مثبت کوچک ورودی که از ولتاژ دو سر مقاومت RB1 ( ηVBB )کوچکتر باشد، به ترمینال ورودی امیتر اعمال شود، پیوند P-N دیود در بایاس منفی قرار می گیرد، بنابراین امپدانس بالایی ایجاد می شود و قطعه هدایت نمی کند. UJT خاموش شده و جریان صفر است.
ولی هنگامی که ولتاژ ورودی امیتر افزایش یافته و بیشتر از VRB1 (یا ηVBB + 0.7V ، که 0.7 ولت برابر با افت ولتاژ پیوند P-N دیود می باشد) شود، آن گاه پیوند P-N در بایاس مستقیم قرار گرفته و ترانزیستور تک پیوندی شروع به هدایت می کند. در نتیجه جریان امیتر ηIE از امیتر به سمت ناحیه ی بیس جاری می شود.
تاثیر جریان امیتر اضافه که در بیس جاری می شود این است که بخش مقاومتی کانال بین پیوند امیتر و ترمینال B1 را کاهش می دهد. این کاهش مقاومت که مقدار RB1 را بسیار کوچک می کند به این معناست که بایاس مستقیم پیوند امیتر بیشتر شده و در نتیجه جریان بیشتری عبور می کند. اثر این نتایج ایجاد مقاومت منفی در ترمینال امیتر است.
مانند این اگر ولتاژ ورودی اعمال شده بین امیتر و ترمینال B1 به اندازه ای کاهش یابد که زیر مقدار ولتاژ شکست قرار گیرد، مقدار مقاومت RB1بسیار زیاد می شود. پس در این حالت ترانزیستور تک پیوندی را می توان یک قطعه ی شکننده ی ولتاژ در نظر گرفت.
از این رو می توان دید که مقاومتی که RB1 نشان می دهد متغیر است و به جریان امیتر)(IE بستگی دارد. پس بایاس مستقیم پیوند امیتر نسبت به B1 باعث افزایش جریان شده که مقاومت بین امیتر و ترمینال B1 را کاهش می دهد.
به عبارت دیگر، عبور جریان از امیتر UJT ها باعث کاهش مقاومت RB1 و ولتاژ دو سر آن شده که اجازه می دهد جریان بیشتری بتواند عبور کند و در نتیجه شرایط مقاومت منفی را ایجاد می کند.
کاربردهای ترانزیستور تک قطبی
اکنون که با نحوه ی عملکرد ترانزیستور تک قطبی آشنا شدیم، با کاربردهای آن نیز آشنا خواهیم شد. بیشترین کاربرد ترانزیستورهای تک قطبی به عنوان قطعه ی تریگر کننده ی SCRها و تریاک ها است. ولی سایر کاربردهای UJT ها شامل ژنراتورهای دندانه اره ای، اسیلاتورهای ساده، کنترل فاز و مدارهای زمان بندی می باشد. ساده ترین مدار UJT اسیلاتور رلاکسیون می باشد که شکل موج های غیر سینوسی تولید می کند.
در مدارهای ابتدایی و معمول اسیلاتور رلاکسیون UJT ، ترمینال امیتر ترانزیستور تک پیوندی همان طور که در شکل زیر نشان داده شده به محل اتصال سری مقاومت و خازن در مدار RC وصل می شود.
وقتی که در ابتدا ولتاژ (Vs) اعمال می شود، ترانزیستور تک قطبی خاموش است و خازن C1 کاملا دشارژ شده است ولی از طریق مقاومت R3 به صورت نمایی شروع به شارژ شدن می کند. از آنجایی که امیتر UJT به خازن متصل شده است، وقتی که ولتاژ شارژ خازن (Vc) بیشتر از مقدار افت ولتاژ دیود شود، پیوند P-N مانند یک دیود عادی عمل رفتار می کند و چون در بایاس مستقیم قرار دارد، UJT شروع به هدایت می کند. پس ترانزیستور تک قطبی روشن می شود. در این حالت امپدانس امیتر به B1 فروکش کرده به نحوی که امیتر در حالت اشباع کاهش امپدانس قرار می گیرد و جریان امیتر درون مقاومت R1 جاری می شود.
از آنجایی که مقاومت اهمی R1 بسیار کم است، خازن به سرعت درون UJT دشارژ شده و یک پالس ولتاژ بالارونده ی سریع در دو سر مقاومت R1 نمایان می شود. همچنین به دلیل این که سرعت دشارژ خازن در UJT بسیار بیشتر از سرعت شارژ آن از طریق مقاومت R3 می باشد، زمان لازم برای دشارژ بسیار کمتر از زمان شارژ است زیرا خازن درون مقاومت کوچک UJT دشارژ می شود.
وقتی ولتاژ دو سر خازن به زیر نقطه ی نگهدارنده ی پیوند P-N افت کند(VOFF) ، آن گاه UJT خاموش می شود و هیچ جریانی از پیوند امیتر عبور نمی کند، از این رو خازن مجددا از طریق مقاومت R3 شارژ می شود و این فرآیند شارژ و دشارژ بین VON و VOFF به طور ثابت تکرار می شود در حالی که ولتاژ تغذیه Vs به مدار اعمال می شود.
شکل موج های اسیلاتور UJT
پس می توان دید که اسیلاتور تک پیوندی به طور پیوسته و بدون هیچ فیدبکی روشن و خاموش می شود. فرکانس عملکرد اسیلاتور مستقیما تحت تاثیر مقدار مقاومت شارژ (R3) که به طور سری با خازن (C1) قرار گرفته و مقدار η می باشد. شکل پالس خروجی که از ترمینال B1 تولید می شود به صورت شکل موج دندانه اره ای است و برای تنظیم دوره ی زمانی، شما فقط باید مقدار اهمی مقاومت R3 را تغییر دهید، زیرا با این کار ثابت زمانی (RC) برای شارژ خازن تغییر می کند.
دوره ی زمانی (T) شکل موج دندانه اره ای برابر است با حاصل جمع زمان شارژ و زمان دشارژ خازن. از آنجایی که عموما زمان دشارژ ( τ1) در مقایسه با زمان شارژ ( τ2) بسیار کوتاه تر است، دوره زمانی نوسان کمتر یا بیشتر مساوی است با T ≅ τ2. بنابراین فرکانس نوسان برابر است با ƒ = 1/T.
مثالی از اسیلاتور UJT
در دیتا شیت ترانزیستور تک پیوندی 2N2646، نسبت تقابل ذاتی η برابر 0.65 داده شده است. اگر از یک خازن 100 نانو فاراد برای تولید پالس های زمان بندی استفاده شود، مقدار مقاومت مورد نیاز برای ایجاد فرکانس نوسان 100 هرتز چقدر باید باشد؟
1- برای محاسبه ی دوره ی تناوب به صورت زیر عمل می کنیم :
2- مقدار مقاومت زمان بندی به صورت زیر محاسبه می شود :
پس مقدار مقاومت شارژ کننده ی مورد نیاز در این مثال ساده 95.3 کیلو اهم محاسبه می شود. به هر حال اگر مقاومت R3 خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد، اسیلاتور رلاکسیون UJT به شرایط معینی نیاز دارد تا درست کار کند.
به عنوان مثال اگر مقدار مقاومت R3 خیلی بزرگ باشد (در حد مگا اهم) خازن نمی تواند به اندازه ی کافی شارژ شود تا امیتر ترانزیستور تک پیوندی را برای هدایت کردن راه اندازی کند؛ ولی از طرف دیگر باید به اندازه ی کافی بزرگ باشد تا مطمئن شویم که وقتی خازن به حدی دشارژ شود که ولتاژش زیر ولتاژ تریگر قرار بگیرد، UJT خاموش خواهد شد.
به همین ترتیب اگر مقاومت R3 خیلی کوچک باشد (در حد چند صد اهم) هنگامی که جریان درون ترمینال امیتر جاری شود، ممکن است مقدار جریان اینقدر بزرگ باشد که قطعه در حالت اشباع قرار گیرد و از این که به طور کامل خاموش شود ممانعت نماید. بنابراین مدار اسیلاتور UJT برای نوسان کردن دچار خطا می شود.
مدار کنترل سرعت UJT
یکی از کاربردهای مدار ترانزیستور تک پیوندی فوق تولید یک سری از پالس هایی است که یک تریستور را راه اندازی و کنترل می کند. با استفاده از UJT به عنوان مدار تریگر کنترل فاز در اتصال با یک SCR یا تریاک، می توانیم سرعت یک موتور یونیورسال AC یا DC را تنظیم نماییم.
با استفاده از مدار فوق می توانیم سرعت یک موتور سری یونیورسال (یا هر نوع باری که بخواهیم مانند لامپ، هیتر و … ) را با تنظیم جریان SCR کنترل نماییم. به منظور کنترل سرعت موتور، به سادگی فرکانس پالس های دندانه اره ای را تغییر می دهیم، که این کار را با تغییر پتانسیومتر می توان انجام داد.
خلاصه ای در مورد ترانزیستور تک پیوندی
همان طور که دیدیم ترانزیستور تک پیوندی یا UJT، یک قطعه ی الکترونیکی نیمه هادی است که فقط دارای یک پیوند P-N درون یک کانال اهمی نوع N (یا نوع P) است که به مقدار کم دارای ناخالصی می باشد. UJT دارای سه ترمینال است که یکی از آن ها امیتر (E) و دو ترمینال دیگر بیس می باشند (B1 & B2) .
دو اتصال اهمی B1 و B2 در دو انتهای کانال نیمه هادی با مقاومت بین B1 و B2 قرار گرفته اند، وقتی امیتر مدار باز باشد به آن مقاومت اینتربیس گفته می شود که با RBB نشان داده می شود. وقتی با اهم متر آن را اندازه گیری کنیم مقدار این مقاومت استاتیکی در اکثر UJT ها معمولا بین 4 کیلو تا 10 کیلو اهم اندازه گیری می شود.
به نسبت بین RB1 و RBBنسبت تقابل درونی گفته می شود که با حرف یونانی η نشان داده می شود. مقادیر استاندارد معمول برای η در اکثر UJTها بین 0.5 تا 0.8 می باشد.
ترانزیستور تک پیوندی یک قطعه ی نیمه هادی راه انداز است که می تواند در مدارها و کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گیرد: از روشن کردن تریاک ها و تریستورها تا استفاده در ژنراتورهای دندانه اره ای برای مدارهای کنترل فاز. مشخصه ی مقاومت منفی در UJT این قطعه را به عنوان یک اسیلاتور رلاکسیون ساده، سودمند می سازد.
وقتی به عنوان یک اسیلاتور رلاکسیون متصل شود، می تواند به طور مستقل بدون مدار یا شبکه ی فیدبک RC پیچیده نوسان کند. وقتی به این طریق متصل شود، ترانزیستور تک قطبی قادر است قطاری از پالس ها با مدت زمان متغیر تولید کند که این کار را به سادگی و از طریق تغییر مقاومت و خازن منفرد می توان انجام داد.
ترانزیستورهای تک پیوندی متداول که در بازار موجود هستند عبارتند از : 2N1671, 2N2646, 2N2647 و … که در بین آن ها 2N2646 برای استفاده در ژنراتورهای پالس و دندانه اره ای و مدارات تاخیر زمانی از پر کاربردترین UJT ها می باشد. سایر انواع ترانزیستورهای تک پیوندی موجود UJT های قابل برنامه ریزی نامیده می شوند، که می توان پارامترهای سوئیچینگ آن ها را به وسیله ی مقاوت های خارجی تنظیم نمود. متداول ترین ترانزیستورهای تک قطبی قابل برنامه ریزی 2N6027 و 2N6028 می باشند.
بازار برق ارائه دهنده خدماتی همچون: خرید قطعات الکترونیکی ، خرید عمده قطعات الکترونیکی ، فروش قطعات الکترونیکی ، خازن الکترولیتی، خازن پلی استر، مقاومت SMD ، مقاومت آجری، مقاومت ۱/۴ وات ، مقاومت ۲ وات ، قطعات الکترونیکی برق صنعتی ، مبدل برق خودرو، ترمینال فونیکس ، کانکتور PH (مینیاتوری) ، کانکتور xh (دزدگیری) ، کانکتور sm ، کانکتور نظامی ، کانکتور پاور قفل دار (vh) ، کانکتور پاور بدون قفل ، کانکتور مخابراتی، پین فلزی کانکتور می باشد.