單結(jié)晶體管振蕩電路的Multisim14.0仿真及自制

王玉爽，張吉同

（1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，河南鄭州，451450；2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院，河南鄭州，451150）

0 引言

單結(jié)晶體管常用的有BT33、BT35和可編程單結(jié)晶體管2N6027，這兩種單結(jié)晶體管都可以組成自激振蕩電路，都可以輸出脈沖用來觸發(fā)可控硅，但是兩種元件組成的電路結(jié)構(gòu)不同，現(xiàn)對兩種不同的電路進行研究，給出仿真波形，以及通過示波器觀察到的實際電路的波形。

1 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理

單結(jié)晶體管，簡稱UJT（Unipolar junction transistor），也稱雙基極二極管，單結(jié)晶體管是只有一個PN結(jié)的三端半導體器件，它的圖形表示符號、結(jié)構(gòu)、等效電路圖如圖1所示，常用的國產(chǎn)型號有BT33，BT35等。

圖1 單結(jié)晶體管圖形符號、結(jié)構(gòu)、等效電路

它的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在一塊高電阻率的N型半導體硅片一側(cè)的兩端各引出一個電極，分別稱為第一基極b1和第二基極b2，而在硅片是另一側(cè)較靠近b2處制作一個PN結(jié)，在P型硅半導體上引出一個電極，稱為發(fā)射極e，第一和第二基極之間的電阻稱為基極電阻Rbb，一般在2~12k W之間，基極電阻Rbb通?？梢员磉_為Rbb=Rb1+Rb2，Rb1是第一基極b1至PN結(jié)的電阻；Rb2是第二基極b2至PN結(jié)的電阻。

圖2是單結(jié)晶體管的實驗電路中 A點的電壓不能直接測到，但可以通過對外部電路電壓進行測量后估算得到，雖不是十分準確，但也是比較接近的，我們可以測量e點對地的電壓， 如果二極管不導通，那么A點的電壓可以由公式得到，式中稱為分壓比，η值一般在0.5-0.9之間，如果二極管導通，二極管兩端的電壓UVD約等于0.7V，那么A點的電壓可以由公式UA=Ue-UVD=Ue-0.7計算出來。如果發(fā)射極電壓Ue由零逐漸增加，就可測得單結(jié)晶體管的伏安特性,如圖3所示。

圖2 單結(jié)晶體管實驗電路

圖3 單結(jié)晶體管的伏安特性

單結(jié)晶體管的Rb1的電阻，為什么會變化，是怎么變化的？

因為在單結(jié)晶體管內(nèi)有高電阻率的N型半導體，在圖2單結(jié)晶體管的實驗電路和圖3單結(jié)晶體管的伏安特性當中，當e點的電壓升高，二極管導通后，二極管中的電流Ie增大，當Ie>IP時，由于發(fā)射極P區(qū)的空穴不斷注入N區(qū)，N區(qū)中的載流子大量增加阻值迅速減小，這是一個強烈的正反饋的過程，Rb1越小，電流Ie越大，這時候單結(jié)晶體管所特有的負阻特性就表現(xiàn)出來了，在負阻區(qū)，為負值，Rb1的阻值會隨著發(fā)射極電流的增大而迅速的減小。這時候單結(jié)晶體管會進入到谷點，這時Ue=UV，圖3中單結(jié)晶體管的伏安特性曲線V點的電壓UV稱為谷點電圧，是維持單結(jié)晶體管導通的最低發(fā)射極電壓，如果單結(jié)晶體管發(fā)射極電壓小于UV的電壓時，單結(jié)晶體管就會重新截止， 當e點的電壓接近UV的電壓時，單結(jié)晶體管中的二極管中的電流Ie減小，由于發(fā)射極P區(qū)注入N區(qū)的空穴就會減少，N區(qū)中的載流子就減少，Rb1阻值迅速增大，這與Rb1阻值迅速減少是相反的過程。

圖3中單結(jié)晶體管的伏安特性曲線P點的電壓UP稱為峰點電壓，對應(yīng)P點的電流稱為峰點電流IP。

在圖4單結(jié)晶體管自激振蕩電路中，電源接通后，電源通過Re對電容C1進行充電，電容C1上端的對地電壓從零開始上升，隨著電容C1上端的電壓上升，單結(jié)晶體管內(nèi)部的二極管導通，電容C1上端的電壓繼續(xù)上升到峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管進入負阻區(qū)，電容C1通過Rb1和R1放電，因為電阻R1比較小，電容C1上的電荷泄放速度很快，放電電流在電阻R1形成一個比較尖的觸發(fā)脈沖用來驅(qū)動晶閘管。

圖4 BT33振蕩電路

圖4電路中Re的阻值太大和太小都不能使振蕩電路工作，電阻R3的作用是為了防止調(diào)節(jié)頻率的時候，Re的阻值調(diào)的太小的時候，單結(jié)晶體管會一直導通而不會截止而造成振蕩電路停止震蕩，Re的阻值也不能選的太大，如果電阻太大就會使振蕩周期變長，實際應(yīng)用中，振蕩周期是要配合所要觸發(fā)的晶閘管的控制角的調(diào)節(jié)的。

Re的阻值通常要符合要求振蕩電路才能正常工作，Re=（RV1+R3）的阻值的大小應(yīng)滿足下面公式：

振蕩電路的頻率近似可以用公式表示如下：

圖5 PUT外形及符號

在實際的觸發(fā)電路中，通常選用分壓η比較大的單結(jié)晶體管，谷點電圧UV小一點的，谷點電流IV大一點的單結(jié)晶體管，這樣就會獲得幅度比較大的輸出脈沖，增加晶閘管的觸發(fā)成功率。

2 可編程化單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理分析

可編程化單結(jié)晶體管(Programmable Unijunction Transistor, 簡稱PUT)，有的資料上稱為程控單結(jié)晶體管，從PUT的內(nèi)部構(gòu)造上看，可編程化單結(jié)晶體管其實是一種具有四層半導體的閘流體與UJT內(nèi)部構(gòu)造并不一樣，可編程化單結(jié)晶體管和UJT相比只是具有類似的功能。 PUT的三個端子是陽極 (Anode, A)、陰極 (Cathode, K)、與門極 (Gate, G)。 當陽極的電壓超過門極時才能使PUT導通，因此，只要固定好PUT的門極電壓，可以改變陽極的觸發(fā)電壓，因此，這個晶體管被稱為可編程化單結(jié)晶體管。

圖6PUT內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及“編程”電阻R1、R2 電路中， 基極電阻Rbb=（R1+R2） ，分壓比

圖6 PUT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及“編程”電阻R1、R2

圖7可編程化單結(jié)晶體管的等效電路中，由一個PNP三極管和一個NPN三極管連接而成，PNP三極管的發(fā)射極，就是可編程化單結(jié)晶體管的陽極A， PNP三極管的基極接NPN三極管的集電極一起構(gòu)成可編程化單結(jié)晶體管的控制極G， PNP三極管的集電極直接接NPN三極管的基極，NPN三極管的發(fā)射級就是可編程化單結(jié)晶體管的陰極K?？删幊袒瘑谓Y(jié)晶體管的門極G的電壓低于陽極A的電壓的時候，晶體管才能導通，電流從陽極A進入從陰極K流出，如果可編程化單結(jié)晶體管的門極G的電壓高于陽極A的電壓的時候，可編程化單結(jié)晶體管就會截止。

圖7 PUT等效電路

在圖8的電路中，可編程化單結(jié)晶體管自激振蕩電路的工作原理是：V1是20V的電源，電阻R2、R3提供給可編程化單結(jié)晶體管門極固定電壓，在電路接通之后電源通過電阻R1對電容C1進行充電，電容C1的上端電壓逐漸上升，當電容C1上端的電壓上升到超過可編程化單結(jié)晶體管的門極電壓的時候，可編程化單結(jié)晶體管就導通了，這樣就把電容C1上的電荷迅速泄放，電容上的電壓就大幅下降，這時可編程化單結(jié)晶體管的陽極電流跟著減小，當門極電壓高于陽極電壓的時候，可編程化單結(jié)晶體管就很快截止。

圖8 PUT振蕩電路

圖9 PUT仿真電路

可編程化單結(jié)晶體管（PUT）的眾多型號當中，日本NEC的N13T-1 (GE的D13T-1) 和2N6027是代表性型號，業(yè)余電子愛好者的電子電路在1960年代至1970年代普遍使用單結(jié)晶體管，因為它可以只用一顆主要元件就能組成簡單的線路，作成弛張振蕩器（例如方波振蕩器），但自從集成電路的使用逐漸普及后，更多的 555 定時器應(yīng)用在電路當中，除了作弛張振蕩器之外，UJT 與 PUT 的另一主要用途是作為晶閘管的觸發(fā)控制電路的主要元件。

3 Mulitisim14.0對2N6027組成的自激振蕩電路的仿真研究

可以通過Mulitisim14.0對2N6027組成的可編程化單結(jié)晶體管自激振蕩電路進行波形分析，因為可編程化單結(jié)晶體管2N6027和單結(jié)晶體管BT33有很大的不同，所以組成的自激振蕩電路也有很大的區(qū)別，如果按照普通的單結(jié)晶體管自激振蕩電路中的單結(jié)晶體管直接換成2N6027，電路將不會工作，正確的可編程化單結(jié)晶體管2N6027組成的自激振蕩電路如圖8所示。

圖10中通過示波器觀察圖8電路中電容C1上端電壓波形，從圖中可以看到，電容C1上的波形是規(guī)則的鋸齒波，在示波器中，縱軸方向，每格電壓5V，電容C1上端電壓波動幅度大約有12.5V左右，在橫軸方向，每格時間長度是2ms，鋸齒波的周期大約有5.5ms。

圖10 仿真鋸齒波、脈沖波形

圖10中通過示波器觀察圖8電路中電阻R4上端電壓波形，從圖中可以看到，電阻R4上的波形是規(guī)則的尖脈沖波，在示波器中，縱軸方向，每格電壓5V，電阻R4上端電壓波動幅度大約有10V左右，在橫軸方向，每格時間長度是2ms，尖脈沖波的周期與鋸齒波的周期是相同的，大約有5.5ms。

為了看清脈沖的形狀，我們把示波器中的橫坐標每一格的時間設(shè)定為5μs,脈沖的形狀就會由圖10中的一條線變成上尖下寬的尖刀樣的脈沖，脈沖的寬度可以調(diào)節(jié)電阻R1的大小和調(diào)節(jié)電容C1的大小來改變，不過可改變的幅度比較有限，如圖11所示。

圖11 仿真脈沖的形狀

我們可以改變R1的形式，使用68K歐姆的電阻和500kΩ的可變電阻器相串聯(lián)后代替R1，我們就可避開可編程化單結(jié)晶體管自激振蕩電路因為500kΩ的電位器阻值較小時不能振蕩的情況發(fā)生。

對圖12中的電路做仿真研究，我們可以得出結(jié)論：R5的阻值大小是有一定限制的，R5的阻值不能太小，如果太小當小于68kΩ時，振蕩電路會在R1的電阻變到0時停止振蕩，這是因為C1上的電壓上升過快，Q1（2N6027）一直處于導通狀態(tài)，不會截止。R5的阻值不能太大，如果太大當大于等于1.24M時，就會使可編程化單結(jié)晶體管的陽極A的電壓始終不能上升到峰點電壓Up以上，可編程化單結(jié)晶體管無法進入負阻區(qū)，振蕩電路會在R1的電阻變到500kΩ時停止振蕩，所以，在不考慮可編程化單結(jié)晶體管G、 K之間漏電流的情況下，R1+R5的阻值要滿足其中VV是可編程化單結(jié)晶體管的谷點電壓，VP是峰點電壓，IV谷點電流，IP是峰點電流。此電路的振蕩頻率可以由以下公式求得：

圖12 改進PUT振蕩電路圖

圖13 R5=68k時C1上端電壓波形

圖14 R5=1.24M時C1上端電壓波形

4 自制單結(jié)晶體管觸發(fā)可控硅應(yīng)用電路及波形觀察

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，特別是電路，如果不做出實物，僅僅靠仿真，總是覺得不可靠，這也是“實踐出真知”的真實寫照，實物做出來之前，要先對電子元件的特性進行充分地了解才能下手，選某個元件的原因，為什么選它，根據(jù)是什么，都要詳盡準確。

在圖16所示的BT33組成的實際應(yīng)用電路圖中，二極管選什么樣的呢，依據(jù)是我們用的電源是220V的，所以二極管要經(jīng)得住最高電壓我們選用的是耐壓1000V、正向電流1A的，型號為1N4007的二極管，留有足夠的裕量，電阻元件在仿真電路中不會因為電流太大而燒毀，但是在現(xiàn)實電路當中會出現(xiàn)電阻燒毀的現(xiàn)象，比如電路中的R5，通過對流過其中的電流進行計算，R5的功率要大于1W比較合理，我們采用2W的阻值27kΩ的，有較大的的裕量，這樣才不會燒毀，D5的穩(wěn)壓值是20V，IZT=12.5m A，這些參數(shù)如何選擇呢？要計算電路中可編程化晶體管自激振蕩電路的總的耗電量，以及20V穩(wěn)壓管自身的耗電量（電流）這樣才能設(shè)計好電路中穩(wěn)壓二極管1N4747的實際參數(shù)。

圖16 BT33實際電路

在圖15單結(jié)晶體管BT33組成的實際應(yīng)用電路圖中，采用電壓220V頻率50Hz的交流電源供電，R4是功率較大的限流電阻，D6是穩(wěn)壓20V功率為1W的穩(wěn)壓二極管，D6上面的電壓是幅度為20V的梯形波，使用示波器觀察C1上面的鋸齒波如圖17中左圖所示，通過調(diào)節(jié)電路中的電位器RV1可以改變電路的振蕩頻率同時鋸齒波中第一個鋸齒出現(xiàn)時間也可以調(diào)節(jié)，用示波器觀察電阻R1上面的脈沖波形如圖17中右圖所示，電阻R1上面的脈沖波的出現(xiàn)頻率也可以通過調(diào)節(jié)電路中的電位器RV1來改變，在圖17中，鋸齒波的個數(shù)和脈沖的個數(shù)是一樣的。

圖15 BT33應(yīng)用電路圖

圖17 單結(jié)晶體管BT33電路鋸齒波（左）脈沖（右）

實際在制作電路的過程中，有時候并沒有合適的參數(shù)給你，需要自己去設(shè)計去實驗，才能獲得合適的數(shù)據(jù)，才能真正的成長。

5 總結(jié)

Multisim14.0仿真可以較快的掌握電路的特點和特性，但是Multisim14.0中的元件庫不是很完善，有的國產(chǎn)元器件無法找到，雖然可以找替代的元器件來代替，但是還是有一些不方便，仿真的好處是不用擔心元器件的價格，元器件的個數(shù)是無窮的，也不用擔心元器件損壞，更不用擔心安全問題，儀器的種類也十分豐富，而且不會損壞，但是仿真不能代替真實電路的實驗，真實電路的實驗結(jié)果往往與仿真結(jié)果存在一定的誤差，有的甚至差別巨大，仿真可以在一定程度上幫助研究真實電路。