單結(jié)晶體管在混合延時(shí)繼電器中的應(yīng)用

畢德林

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 單結(jié)晶體管

1.1 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

單結(jié)晶體管(Unipolar junction transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)為UJT)也稱(chēng)雙基極二極管。它是具有一個(gè)PN結(jié)的三端半導(dǎo)體元件，它的結(jié)構(gòu)和等效電路圖、表示符號(hào)如下圖1。

圖1 單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、等效電路圖、符號(hào)

發(fā)射極E是從PN結(jié)的P端引出，從N型半導(dǎo)體引出兩個(gè)基級(jí)，離發(fā)射極較遠(yuǎn)的是第一基極B1，另一個(gè)是第二基極B2。

從等效電路圖可看出，在兩個(gè)基極上加電壓Vb時(shí)，R1上承受的電壓Vo將按R1、R2的比例進(jìn)行分配，電壓Vo與總電壓Vb之比稱(chēng)為分壓比，以η表示，η= R1(R2+R1), 分壓比η為單結(jié)晶體管的主要參數(shù)，一般在0.3～0.9之間。

1.2 單結(jié)晶體管的工作原理

圖2 單結(jié)晶體管工作原理和特性曲線(xiàn)

工作原理如上圖2所示，在B1、B2端加電壓Vb，在發(fā)射極上加電壓EE，當(dāng)UE<ηVb時(shí)，流過(guò)R1的電流很小(B1、B2端的電阻一般為3～10千歐)，當(dāng)UE>ηVb時(shí)(0點(diǎn)電壓)，發(fā)射極電流IE急劇增加，UE突然下降，單結(jié)晶體管出現(xiàn)負(fù)阻特性，第一基極B1產(chǎn)生電流突變過(guò)程。下面依據(jù)單結(jié)晶體管特性曲線(xiàn)圖對(duì)出現(xiàn)負(fù)阻特性進(jìn)行物理分析。

(1)截止區(qū)

當(dāng)UE=0時(shí)，由于二極管(即PN結(jié))處于ηVb的反向電壓作用下，只有很小的反向電流IEO。逐漸加大UE但小于ηVb的數(shù)值，PN結(jié)仍處于反向電壓狀態(tài)。但隨著UE增大，反向電流逐漸減弱，出現(xiàn)特性曲線(xiàn)圖中縱軸左側(cè)特性。當(dāng)UE=ηVb時(shí)，PN結(jié)兩端電位相等，IE=0。

當(dāng)隨著UE繼續(xù)增大使UE﹥?chǔ)荲b時(shí)，IE雖然出現(xiàn)正值，但由于UE-ηVb小于于二極管的正向?qū)▔航?0.7V)，故IE只有較小數(shù)值。因此，從UE=0時(shí)開(kāi)始，至UE<ηVb+0.7，二極管基本處于截止?fàn)顟B(tài)。

(2) 單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP和負(fù)阻區(qū)

當(dāng)UE繼續(xù)增大使UE=ηVb+0.7時(shí)，PN結(jié)處于正向電壓之下，于是IE顯著增加，由于通過(guò)E與B1間電流的增大，使R1相應(yīng)減少，ηVb相應(yīng)降低，又相當(dāng)于PN結(jié)處于更大的正向電壓作用下，因此，IE又進(jìn)一步增大，如此循環(huán)，形成強(qiáng)烈的IE增大和UE下降的過(guò)程，出現(xiàn)負(fù)阻特性。把開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)阻特性的電壓UE=ηVb+0.7叫做單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓(峰點(diǎn)電流一般小于2μA)，以UP表示。

(3) 單結(jié)晶體管的飽和區(qū)

在單結(jié)晶體管出現(xiàn)負(fù)阻特性后，隨著IE不斷增大，UE不斷降低至特性曲線(xiàn)圖中的V點(diǎn)(V點(diǎn)稱(chēng)為谷點(diǎn)，谷點(diǎn)電壓一般為1～2.5V，谷點(diǎn)電流一般為幾個(gè)毫安)時(shí)，UE又將開(kāi)始隨著IE的增大而上升，恢復(fù)了正阻特性，這說(shuō)明在V點(diǎn)時(shí)IE已處于飽和狀態(tài)，若在進(jìn)行升高電壓，電流又開(kāi)始上升。因此，V點(diǎn)以后的區(qū)域稱(chēng)為飽和區(qū)。

2 可編程單結(jié)晶體管

可編程單結(jié)晶體管(Programmable Uni-junction Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)為PUT)，又稱(chēng)可調(diào)單結(jié)晶體管，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)N極門(mén)控晶閘管的功能(見(jiàn)圖3)，與單結(jié)晶體管的用途相近。

圖3 可編程單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、等效電路圖、符號(hào)

可編程單結(jié)晶體管與單結(jié)晶體管的區(qū)別為：?jiǎn)谓Y(jié)晶體管一經(jīng)制成，從外部無(wú)法改變R1、R2、ηVb、IP、IV等參數(shù)值，又由于工藝的離散性導(dǎo)致同批次的每只單結(jié)晶體管的ηVb值總會(huì)存在一定的偏差，這就給使用過(guò)程中電路參數(shù)一致性帶來(lái)影響?？删幊虇谓Y(jié)晶體管圓滿(mǎn)解決了這個(gè)問(wèn)題，它是用外部電阻取代內(nèi)基極電阻R1、R2，只需改變二者的電阻阻值，即可從外部調(diào)整其參數(shù)值，因此，可編程單結(jié)晶體管使用靈活，用途廣泛。

可編程單結(jié)晶體管PUT與單結(jié)晶體管UJT的應(yīng)用基本一致，本文只對(duì)UJT在延時(shí)繼電器中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

3 單結(jié)晶體管UJT在延時(shí)繼電器中的應(yīng)用

3.1 在國(guó)軍標(biāo)GJB1513A規(guī)定的1型(動(dòng)作延時(shí))繼電器上的應(yīng)用

3.1.1該類(lèi)型的延時(shí)繼電器的輸入、輸出定時(shí)圖如圖4。

圖4 1型動(dòng)作延時(shí)

3.1.2采用單結(jié)晶體管UJT設(shè)計(jì)的1型延時(shí)繼電器電路原理圖如圖5所示。

圖5 1型延時(shí)繼電器電路原理圖

該延時(shí)繼電器采用電磁繼電器J的觸點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輸出電路的切換。

如上圖所示，當(dāng)延時(shí)繼電器加工作電壓E時(shí)，穩(wěn)壓管D2對(duì)延時(shí)部份進(jìn)行穩(wěn)壓，電流通過(guò)電磁繼電器J線(xiàn)圈電阻、R1、R2對(duì)電解電容C3進(jìn)行充電，當(dāng)C3上的電壓達(dá)到單結(jié)晶體管UJT的峰點(diǎn)電壓時(shí)，UJT的E、B1體現(xiàn)負(fù)阻特性，電容C3通過(guò)UJT的E極和B1極對(duì)R3進(jìn)行放電，流過(guò)R3的電流突然增加，觸發(fā)單向可控硅SCR導(dǎo)通，導(dǎo)致電磁繼電器J導(dǎo)通，觸點(diǎn)切換電路。

延時(shí)時(shí)間就是從電容C3開(kāi)始充電到單結(jié)晶體管UJT體現(xiàn)負(fù)阻特性的時(shí)間，一般對(duì)于產(chǎn)品來(lái)講，電容C3固定，延時(shí)時(shí)間通過(guò)變換R2進(jìn)行調(diào)整。

3.2 在國(guó)軍標(biāo)GJB1513A規(guī)定的2B 型(釋放延時(shí))繼電器上的應(yīng)用

3.2.1該類(lèi)型的延時(shí)繼電器的輸入、輸出定時(shí)圖如圖6所示。

圖6 2B型釋放延時(shí)

3.2.2采用單結(jié)晶體管UJT設(shè)計(jì)的2B型延時(shí)繼電器電路原理圖如圖7所示。

圖7 2B型延時(shí)繼電器電路原理圖

該延時(shí)繼電器采用雙線(xiàn)圈磁保持電磁繼電器J的觸點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輸出電路的切換。

如上圖所示，當(dāng)時(shí)間繼電器施加工作電壓E時(shí)，電流通過(guò)D1、繼電器J的前激勵(lì)線(xiàn)圈Ⅰ對(duì)電容C1進(jìn)行充電，直至C1上的電壓接近工作電壓E為止；充電時(shí)，繼電器J由于前激勵(lì)而動(dòng)作，觸點(diǎn)恢復(fù)到初始狀態(tài)。同時(shí)，電容C3通過(guò)D2、R2充電直至電容C3上的電壓接近工作電壓E(R2阻值很小)，電容C4通過(guò)D3、R4充電直至電容C4上的電壓接近穩(wěn)壓管D4的穩(wěn)定電壓，電容C4上的電壓(建議D4穩(wěn)壓值為6V)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電容C3上的電壓。

當(dāng)時(shí)間繼電器工作電壓E斷掉后，C3通過(guò)R1進(jìn)行放電，C3上的電壓逐漸降低，當(dāng)降低到小于電容C4上的電壓時(shí)，UJT的E、B1體現(xiàn)負(fù)阻特性，電容C4通過(guò)UJT的E極和B1極對(duì)R3進(jìn)行放電，流過(guò)R3的電流突然增加，觸發(fā)單向可控硅SCR導(dǎo)通，致使電容C1、繼電器J的后激勵(lì)線(xiàn)圈Ⅱ、SCR形成回路，C1上的電壓加到繼電器J的后激勵(lì)線(xiàn)圈Ⅱ上，導(dǎo)致電磁繼電器J后激勵(lì)線(xiàn)圈工作，觸點(diǎn)切換電路。

延時(shí)時(shí)間就是從工作電壓E斷掉后電容C3開(kāi)始放電，C3上的電壓逐漸降低到等于電容C4上的電壓，單結(jié)晶體管UJT體現(xiàn)負(fù)阻特性而導(dǎo)通的時(shí)間，一般對(duì)于產(chǎn)品來(lái)講，電容C3固定，延時(shí)時(shí)間通過(guò)改變R1進(jìn)行調(diào)整。

4 單結(jié)晶體管UJT在延時(shí)繼電器中的應(yīng)用需要注意的問(wèn)題

4.1 延時(shí)電路中采用的電解電容采用漏電流小的鉭電解電容，使延時(shí)時(shí)間盡可能長(zhǎng)。

4.2 加在單向可控硅SCR的K、G之間的電容C非常重要，它的作用是增加SCR的抗dv/dt能力，如果SCR的K、G之間不加電容C，延時(shí)繼電器在工作時(shí)會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)零延時(shí)現(xiàn)象，即延時(shí)時(shí)間為零，延時(shí)繼電器加電立即導(dǎo)通現(xiàn)象，產(chǎn)品可靠性非常差。

4.3 由于鉭電解電容工作的最高溫度為85℃，因此，延時(shí)繼電器也只能工作在最高溫度85℃，如果延時(shí)繼電器需要工作在125℃，把加在鉭電解電容上的電壓限制在其標(biāo)稱(chēng)工作電壓的1/3以下，能完美解決這個(gè)問(wèn)題。

5 采用單結(jié)晶體管UJT設(shè)計(jì)的延時(shí)電路的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著集成電路發(fā)展，現(xiàn)在的1型延時(shí)繼電器延時(shí)電路大多使用計(jì)數(shù)器和單片機(jī)，采用很小的電容、電阻或者晶體振蕩器作為基準(zhǔn)震蕩頻率，因此，產(chǎn)品體積小，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，延時(shí)精度高。使用單片機(jī)的延時(shí)時(shí)間通過(guò)編程可以很方便的進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，延時(shí)時(shí)間很長(zhǎng)，可達(dá)幾十小時(shí)，延時(shí)精度可達(dá)1%。采用單結(jié)晶體管的延時(shí)電路由于采用體積很大的鉭電解電容，產(chǎn)品體積相對(duì)較大，延時(shí)時(shí)間相對(duì)非常短，一般在500s內(nèi)，延時(shí)精度相對(duì)差，只能達(dá)到5%精度。也可以通過(guò)采用高精度的電容、電阻，延時(shí)精度可達(dá)到2%，但產(chǎn)品成本大幅增加。

使用計(jì)數(shù)器和單片機(jī)的1型延時(shí)繼電器，如果加電時(shí)的電壓不穩(wěn)定(電源由機(jī)械觸點(diǎn)控制，由于機(jī)械觸點(diǎn)導(dǎo)通時(shí)的抖動(dòng)，造成所加電壓不穩(wěn)定)或者電壓緩慢上升時(shí)，有可能會(huì)造成計(jì)數(shù)器和單片機(jī)工作失效，造成零延時(shí)。因此，國(guó)軍標(biāo)GIB1513A-2009在延時(shí)時(shí)間的測(cè)試方法4.7.16.1條注明：如果電壓的上升或者下降時(shí)間大于1μs,則會(huì)對(duì)定時(shí)循環(huán)產(chǎn)生有害影響。但對(duì)于使用單結(jié)晶體管UJT的延時(shí)繼電器來(lái)講，加電時(shí)的工作電壓不穩(wěn)定不會(huì)對(duì)繼電器的延時(shí)功能造成影響，不會(huì)造成零延時(shí)，根據(jù)工作電壓不穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)短，可能會(huì)對(duì)延時(shí)時(shí)間造成輕微的誤差，而這個(gè)誤差對(duì)于繼電器的延時(shí)時(shí)間來(lái)講可以忽略不計(jì)。所以，對(duì)于抗電源干擾來(lái)講，使用單結(jié)晶體管UJT的延時(shí)繼電器有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在使用過(guò)程中幾乎可以不用考慮電源干擾因素。

6 結(jié)論

目前，混合延時(shí)繼電器的型延時(shí)電路大多使用計(jì)數(shù)器和單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但如果工作電源不穩(wěn)定，有干擾，建議還是使用單結(jié)晶體管UJT來(lái)設(shè)計(jì)混合延時(shí)繼電器。對(duì)于2B型混合延時(shí)繼電器，使用單結(jié)晶體管UJT來(lái)設(shè)計(jì)是最佳選擇。