UJT یک قطعه نیمه هادی سه ترمیناله است که مقاومت منفی و ویژگی های سوئیچینگ را برای استفاده به عنوان یک نوسان ساز آرامش در کاربردهای کنترل فاز نشان می‌دهد.

ترانزیستور تک پیوندی یا به اختصار UJT ، یکی دیگر از قطعات ۳ ترمینال حالت جامد دیگری است که می‌تواند در پالس گیت، مدارهای زمان بندی و کاربردهای ژنراتور تریگر برای تغییر و کنترل تریستورها و تریاک برای برنامه های نوع کنترل توان AC استفاده شود.

مانند دیودها، ترانزیستورهای تک پیوندی از مواد نیمه هادی نوع P و N جداگانه ساخته می‌شوند که یک پیوند PN (در نتیجه نام آن تک پیوندی) در کانال اصلی هدایت نوع N قطعه را تشکیل می‌دهد.

اگرچه ترانزیستور تک پیوندی نام یک ترانزیستور را دارد، اما ویژگی های سوئیچینگ آن بسیار متفاوت از ترانزیستور دو قطبی یا میدانی معمولی است زیرا نمی‌تواند برای تقویت سیگنال استفاده شود اما در عوض به عنوان ترانزیستور سوئیچینگ روشن – خاموش  استفاده می‌شود. UJT دارای ویژگی های هدایت یک طرفه و امپدانس منفی است که در هنگام خرابی بیشتر شبیه یک تقسیم کننده ولتاژ متغیر است.

مانند n ،FET کانال، UJT متشکل از یک قطعه واحد جامد از ماده نیمه هادی نوع N است که کانال اصلی حمل جریان را با دو اتصال خارجی مشخص شده به عنوان بیس ۲ (B2) و بیس ۱ (B1) تشکیل می‌دهد. اتصال سوم که به طور گیج کننده ای (به عنوان امیترE) مشخص شده در امتداد کانال قرار دارد. ترمینال امیتر با یک پیکان نشان داده شده از امیتر نوع P به پایه نوع N نشان داده می‌شود.

پیوند p-n یکسو کننده امیتر ترانزیستور تک پیوندی با ذوب مواد P-type در کانال سیلیکون نوع N تشکیل می‌شود. با این حال، UJT های کانال P با ترمینال امیتر نوع N نیز موجود هستند اما این موارد بسیار کم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

محل اتصال امیتر در امتداد کانال قرار گرفته به طوری که به ترمینال B2 نزدیکتر از B1 است. در نماد UJT از پیکان استفاده شده است که به سمت بیس است که نشاندهنده ترمینال امیتر مثبت است و میله سیلیکون که ماده منفی است. در زیر نماد، ساختار و مدار معادل UJT نشان داده شده است.

ساختار و سمبل ترانزیستور تک پیوندی

ترانزیستور تک پیوندی

توجه داشته باشید که نماد ترانزیستورتک پیوندی بسیار شبیه ترانزیستور اثر میدان پیوندی JFET است، با این تفاوت که دارای یک فلش خم شده است که نمایانگر ورودی (امیترE) است. JFET و UJT در حالی که از نظر کاناله‌ای اهمی مشابه هستند، بسیار متفاوت عمل می‌کنند و نباید اشتباه گرفته شوند.

بنابراین چگونه کار می‌کند؟ می توانیم از مدار معادل بالا ببینیم که کانال نوع N اساساً از دو مقاومت RB2 و RB1 به صورت سری با یک دیود معادل (ایده آل) تشکیل شده است، D نشان دهنده اتصال p-n متصل به نقطه مرکزی آنها است. این اتصال p-n امیتر در طول ساخت در موقعیت کانال اهمی ثابت است و بنابراین قابل تغییر نیست.

مقاومت RB1 بین امیتر ، E و ترمینال B1 ارائه می‌شود، در حالی که مقاومت RB2 بین امیتر ، E و ترمینال B2 داده می‌شود. از آنجا که موقعیت فیزیکی محل اتصال p-n به ترمینال B2 از B1 نزدیکتر است، مقدار مقاومت RB2 کمتر از RB1 خواهد بود.

مقاومت کل میله سیلیکونی (مقاومت اهمی آن) به سطح واقعی رسانش نیمه هادی‌ها و همچنین ابعاد فیزیکی کانال سیلیکون نوع N بستگی دارد اما می تواند توسط RBB نشان داده شود. اگر با اهم متر اندازه گیری شود، این مقاومت استاتیک به طور معمول در حدود ۴kΩ تا ۱۰kΩ برای رایجترین UJT ها مانند ۲N1671 ، ۲N2646 یا ۲N2647 اندازه گیری می‌شود.

این دو مقاومت سری یک شبکه تقسیم را بین دو ترمینال پایه ترانزیستور تک کاره تولید می‌کند و از آنجا که این کانال از B2 تا B1 کشیده می‌شود، وقتی ولتاژ روی دستگاه اعمال می شود، پتانسیل در هر نقطه از کانال متناسب با موقعیت آن در بین پایانه‌های B2 و B1 است. سطح گرادیان ولتاژ به میزان ولتاژ تغذیه بستگی دارد.

هنگامی که در مدار استفاده می‌شود، ترمینال B1 به زمین متصل می شود و امیتر به عنوان ورودی دستگاه عمل می‌کند. فرض کنید یک ولتاژ VBB از طریق UJT بین B2 و B1 اعمال شود تا B2 نسبت به B1 مثبت باشد. با اعمال ورودی امیتر صفر، ولتاژ ایجاد شده در سرتاسر RB1 (مقاومت پایین) تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

ولتاژ RB1 ترانزیستور تک پیوندی

    \[ VRB!=\frac{RB1}{RB1+RB2}\times\ VBB \]

برای یک ترانزیستور تک پیوندی، نسبت مقاومت RB1 به RBB که در بالا نشان داده شده است، نسبت ایستادن ذاتی نامیده می شود و نماد یونانی ا تا η به آن داده می‌شود. مقادیر استاندارد معمول η در محدوده ۰.۵ تا ۰.۸ برای رایج ترین UJT ها است.

اگر ولتاژ ورودی مثبت کوچکی که کمتر از ولتاژ ایجاد شده روی مقاومت است، RB1 (ηVBB) اکنون به ترمینال ورودی امیتر اعمال شود، پیوند p-n دیود بایاس معکوس است، بنابراین یک امپدانس بسیار بالا ارائه می دهد و دستگاه هدایت نمی کند. UJT “خاموش” است و جریان صفر جریان دارد.

با این حال، هنگامی که ولتاژ ورودی امیتر افزایش می‌یابد و از VRB1 (یا ηVBB + 0.7V ، بطوریکه V 0.7 برابر افت ولتاژ پیوند p-n است) بزرگتر می‌شود، پیوند p-n به بایاس مستقیم تبدیل می‌شود و ترانزیستور تک پیوندی شروع به هدایت می‌کند. نتیجه این است که جریان امیتر، ηIE اکنون از امیتر به منطقه بیس جریان می‌یابد.

تأثیر جریان اضافی امیتر که به بیس می‌رود، قسمت مقاوم کانال را بین اتصال امیتر و ترمینال B1 کاهش می‌دهد. این کاهش در مقدار مقاومت RB1 به مقدار بسیار کم به این معنی است که اتصال امیتر حتی بیشتر بایاس مستقیم می‌شود و در نتیجه جریان بیشتری جاری می‌شود. تأثیر این امر منجر به مقاومت منفی در ترمینال امیتر می‌شود.

به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی اعمال شده بین پایانه امیتر و B1 به مقداری زیر شکست کاهش یابد، مقدار مقاومت RB1 به مقدار زیادی افزایش می‌یابد. سپس می‌توان ترانزیستور تک پیوندی را به عنوان قطعه شکست ولتاژ در نظر گرفت.

بنابراین می‌توان دریافت که مقاومت ارائه شده توسط RB1 متغیر است و به مقدار جریان امیتر، IE وابسته است. سپس بایاس مستقیم اتصال امیتر با توجه به B1 باعث جریان بیشتر می شود که مقاومت بین امیتر ، E و B1 را کاهش می‌دهد.

به عبارت دیگر، جریان جاری به امیتر ترانزیستور تک پیوندی باعث می‌شود که مقدار مقاومت RB1 کاهش یابد و ولتاژ روی آن افت کند، VRB1 نیز باید کاهش یابد و باعث جاری شدن جریان بیشتری می‌شود و در نتیجه یک مقاومت منفی ایجاد می‌کند.

کاربردهای ترانزیستور تک پیوندی

اکنون که ما از نحوه کارکرد ترانزیستور تک پیوندی مطلع شدیم، می توان برای چه مواردی از آن‌ها استفاده کرد. متداول ترین کاربرد ترانزیستور تک کاره به عنوان یک قطعه محرک برای SCR و تریاک است اما سایر کاربرد های UJT شامل ژنراتورهای دندانه دار، اسیلاتورهای ساده، کنترل فاز و مدارهای زمان بندی هستند. ساده ترین مدار بین UJTها، نوسانگر آرامش است که شکل موج غیر سینوسی تولید می‌کند.

در یک مدار نوسانگر آرامش UJT پایه و معمولی، ترمینال امیتر ترانزیستور تک پیوندی به محل اتصال یک  مقاومت و خازن متصل بصورت سری بهم، مدار RC متصل است که در زیر نشان داده شده است.

نوسانگر استراحت ترانزیستور تک پیوندی

ترانزیستور تک پیوندی

وقتی در ابتدا ولتاژ (Vs) اعمال می‌شود، ترانزیستور تک پیوندی “خاموش” است و خازن C1 کاملاً تخلیه می‌شود اما از طریق مقاومت R3 شروع به شارژ نمایی می‌کند. همانطور که امیتر UJT به خازن متصل می‌شود، هنگامی که ولتاژ شارژ Vc در خازن از مقدار افت ولتاژ دیود بزرگتر می‌شود، پیوند p-n مانند یک دیود طبیعی رفتار می‌کند و با بایاس مستقسم باعث هدایت UJT می‌شود. ترانزیستور تک پیوندی “روشن” است. در این مرحله امپدانس امیتر به B1 فرو می ریزد زیرا امیتر به حالت اشباع شده با امپدانس پایین با جریان جاری از امیتر از طریق R1 می‌رود.

از آنجا که مقدار اهمی مقاومت R1 بسیار کم است، خازن به سرعت از طریق UJT تخلیه می‌شود و یک پالس ولتاژ با سرعت بالا در R1 ظاهر می‌شود. همچنین، از آنجا که خازن با سرعت بیشتری از طریق UJT تا شارژ از طریق مقاومت R3 شارژ می‌شود، زمان تخلیه بسیار کمتر از زمان شارژ است زیرا خازن از طریق مقاومت پایین UJT تخلیه می‌شود.

هنگامی که ولتاژ خازن زیر نقطه نگهدارنده اتصال p-n VOFF کاهش می‌یابد، UJT “خاموش” می‌شود و هیچ جریانی به محل اتصال امیتر نمی رود بنابراین یک بار دیگر خازن از طریق مقاومت R3 شارژ می‌شود و این روند شارژ و تخلیه بین VON و VOFF به طور مداوم تکرار می‌شوند در حالی که ولتاژ تغذیه Vs وجود دارد که اعمال می‌شود.

شکل موج های نوسانگر UJT

شکل موج نوسانگر UJT

سپس می‌توان دید که اسیلاتور تک پیوندی بدون هیچ بازخوردی به طور مداوم “ON” و “OFF” می‌شود. فرکانس عملکرد اسیلاتور مستقیماً تحت تأثیر مقدار مقاومت شارژ R3، به صورت سری با خازن C1 و مقدار η قرار می‌گیرد. شکل پالس خروجی تولید شده از ترمینال بیس ۱ (B1) شکل موج دندانه اره ای است و برای تنظیم دوره زمانی، فقط باید مقدار اهمی مقاومت را تغییر داد، R3 زیرا ثابت زمانی RC را برای شارژ خازن تنظیم می‌کند.

مدت زمان، T شکل موج اره ای به عنوان زمان شارژ به علاوه زمان تخلیه خازن داده می‌شود. از آنجا که زمان تخلیه، τ۱ در مقایسه با زمان شارژ RC بیشتر بسیار کوتاه است، τ۲ دوره زمانی نوسان کم و بیش معادل T ≅ τ۲ است. فرکانس نوسان توسط ƒ = ۱ / T داده می شود.

مثال شماره ۱ نوسانگر UJT

برگه اطلاعاتی داده برای یک ترانزیستور تک پیوندی ۲N2646 نسبت ایستاده ذاتی η را ۰.۶۵ می‌دهد. اگر از خازن ۱۰۰nF برای تولید پالس های زمان بندی استفاده شده باشد، مقاومت زمانی مورد نیاز برای تولید فرکانس نوسان ۱۰۰ هرتز را محاسبه کنید.

  1. پریود زمان بندی به شرح زیر است:

F=1/T   ,   T=1/f=1/100=10ms

  1. مقدار مقاومت زمان بندی، R3 به این صورت محاسبه می‌شود:

نوسانگر UJT

سپس مقدار مقاومت شارژ مورد نیاز در این مثال ساده به عنوان ۹۵.۳kΩ’s به نزدیکترین مقدار ترجیحی محاسبه می‌شود. با این حال، شرایط خاصی لازم است تا اسیلاتور آرامش UJT به درستی کار کند زیرا مقدار مقاومت R3 می تواند خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد.

به عنوان مثال، اگر مقدار R3 بیش از حد بزرگ باشد، (مگا اهم) خازن ممکن است به اندازه کافی شارژ نشود تا باعث انتقال امیتر تک پیوندی به هدایت شود، اما همچنین باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا اطمینان حاصل کند که پس از تخلیه خازن زیر ولتاژ تریگر پایین تر UJT “خاموش” می‌شود.

به همین ترتیب اگر مقدار R3 خیلی کم باشد، (چند صد اهم) هنگامی که جریان ورودی به ترمینال امیتر را تحریک می‌کند، ممکن است به اندازه کافی بزرگ باشد تا قطعه را به منطقه اشباع خود هدایت کند تا از خاموش شدن کامل آن جلوگیری کند. در هر صورت مدار نوسان ساز تک پیوندی دچار نوسان نمی‌شود.

مدار کنترل سرعت UJT

یکی از کاربردهای معمول مدار ترانزیستور تک پیوندی در بالا، تولید یک سری پالس برای جرقه و کنترل تریستور است. با استفاده از UJT به عنوان یک مدار تحریک کننده کنترل فاز همراه با SCR یا تریاک، می توانیم سرعت موتور جهانی AC یا DC را همانطور که نشان داده شده تنظیم کنیم.

کنترل سرعت ترانزیستور UJT

ترانزیستور UJT

با استفاده از مدار بالا می توانیم با تنظیم جریان عبوری از SCR سرعت یک موتور سری جهانی (یا هر نوع باری را که می خواهیم، بخاری، لامپ و غیره) را کنترل کنیم. برای کنترل سرعت موتورها، به سادگی فرکانس پالس دندان اره را تغییر می‌دهیم، که با تغییر مقدار پتانسیومتر حاصل می‌شود.

خلاصه ترانزیستور UJT

ما دیده ایم که یک ترانزیستور تک پیوندی یا به اختصارUJT ، یک قطعه نیمه هادی الکترونیکی است که فقط یک اتصال p-n در یک کانال اهمی دوپ شده سبک از نوع N (یا نوع P) دارد. UJT دارای سه ترمینال است که یکی از آنها دارای برچسب (امیترE) و دو بیس (B1 و B2) است.

 هنگامی که امیتر مدار باز است، دو کنتاکت اهمی B1 و B2 در هر انتهای کانال نیمه هادی با مقاومت بین B1 و B2 متصل شده اند که مقاومت بین بیس RBB نامیده می‌شود. اگر با اهم متر اندازه گیری شود، این مقاومت استاتیک معمولاً در حدود ۴kΩ تا ۱۰kΩ برای اکثر UJT های رایج اندازه گیری می‌شود.

به نسبت RB1 به RBB نسبت ایستادن ذاتی گفته می‌شود و به آن نماد یونانی داده می شود: ا تا (η) مقادیر استاندارد معمول η در محدوده ۰.۵ تا ۰.۸ برای رایج ترین UJT است.

ترانزیستور تک پیوندی یک قطعه تریگر حالت جامد است که می تواند در مدارها و برنامه های مختلف از روشن کردن تریستورها و تریاک ها گرفته تا استفاده در ژنراتورهای دندانه اره ای برای مدارهای کنترل فاز مورد استفاده قرار گیرد. ویژگی مقاومت منفی UJT همچنین باعث می‌شود به عنوان یک اسیلاتور آرامشی بسیار کاربردی باشد.

هنگامی که به عنوان یک اسیلاتور آرامشی متصل می شود، می‌تواند بدون مدار مخزن یا شبکه پیچیده بازخورد RC به طور مستقل نوسان کند. هنگامی که از این طریق متصل می شود، ترانزیستور تک کاره قادر است به سادگی با تغییر مقادیر یک خازن منفرد، (C) یا مقاومت  (R) قطاری از پالس ها را با مدت زمان متفاوت تولید کند.

ترانزیستورهای تک پیوندی که معمولاً در دسترس هستند شامل ۲N1671 ، ۲N2646، ۲N2647 و غیره هستند که ۲N2646  محبوب ترین UJT برای استفاده در مولدهای پالس و دندانه ای و مدارهای تأخیر زمانی است. انواع دیگر دستگاه های ترانزیستور تک پیوندی موجود، UJT های قابل برنامه ریزی نامیده می شوند که می‌توانند پارامترهای سوئیچینگ خود را توسط مقاومت های خارجی تنظیم کنند. متداول ترین ترانزیستورهای تک پیوندی قابل برنامه ریزی ۲N6027 و ۲N6028 هستند.