ترانزیستور تک پیوندی یا UJT (Unijunction Transistor) یک المان نیمه‌هادی سه پایانه است که ویژگی‌های مقاومت منفی و سوئیچینگ را برای استفاده به عنوان یک نوسان‌ساز وقفه‌ای (relaxation oscillator) در کاربردهای کنترل فاز از خود نشان می‌دهد.
ترانزیستور تک‌پیوندی یا به اختصار UJT، یکی دیگر از قطعات سه ترمیناله حالت جامد است که می‌تواند در پالس گیت، مدارهای زمان‌بندی و کاربردهای مولد تحریک برای سوئیچ و کنترل تریستورها و ترایاک‌ها در کاربردهای کنترل توان AC استفاده شود.
مانند دیودها، ترانزیستورهای تک‌پیوندی از مواد نیمه‌هادی جداگانه نوع P و N ساخته می‌شوند که یک اتصال PN واحد (از این رو نام آن تک پیوندی است) را در کانال اصلی نوع N هدایت دستگاه، تشکیل می‌دهند.
اگرچه ترانزیستور تک‌پیوندی نام ترانزیستور دارد، اما ویژگی‌های سوییچینگ آن بسیار متفاوت از ترانزیستور دو قطبی معمولی یا اثر میدان است زیرا نمی‌توان از آن برای تقویت سیگنال استفاده کرد، اما در عوض به عنوان یک ترانزیستور سوئیچینگ روشن-خاموش استفاده میشود. UJT ها دارای ویژگی‌های هدایت یک طرفه و امپدانس منفی هستند که بیشتر شبیه یک تقسیم‌کننده ولتاژ متغیر در هنگام شکست عمل می‌کنند.
مانند FET های Nکانال ، UJT متشکل از یک قطعه جامد مواد نیمه‌رسانای نوع N است که کانال اصلی حامل جریان را با دو اتصال بیرونی آن که به عنوان بیس 2 (B2) و بیس 1 (B1) مشخص شده‌اند، تشکیل می‌دهد. اتصال سوم که به طور گیج کنندهای به عنوان امیتر (E) مشخص شده است در امتداد کانال قرار دارد. پایانه امیتر با فلشی نشان داده میشود که از امیتر نوع P به بیس نوع N اشاره می‌کند.
پیوند p-n یکسوکننده امیتر ترانزیستور تک‌پیوندی با ذوب مواد نوع P در کانال سیلیکونی نوع N تشکیل میشود. با این حال، UJT های کانال P با ترمینال امیتر نوع N نیز در دسترس هستند، اما از آنها استفاده کمی میشود.
محل اتصال امیتر در امتداد کانال طوری قرار میگیرد که به ترمینال B2 نزدیکتر از B1 باشد. یک فلش در نماد UJT استفاده شده است که به سمت بیس نشانه می‌رود و نشان می‌دهد که پایانه امیتر مثبت است و نوار سیلیکون ماده منفی است. در زیر، نماد، ساختار و مدار معادل UJT نشان داده شده است.
نماد و ساختار ترانزیستور تک پیوندی
توجه داشته باشید که نماد ترانزیستور تک‌پیوندی بسیار شبیه به ترانزیستور اثر میدان پیوندی (junction field effect transistor) یا JFET است، با این تفاوت که دارای یک فلش خمیده است که نشان دهنده ورودی امیتر (E) است. در حالی که از نظر کانال‌های اهمی مشابه هستند، JFET و UJT بسیار متفاوت عمل می‌کنند و نباید آنها را اشتباه گرفت.
پس چگونه کار می‌کند؟ از مدار معادل بالا می‌توانیم ببینیم که کانال نوع N اساساً از دو مقاومت RB2 و RB1 به صورت سری با یک دیود معادل (ایده‌آل) تشکیل شده است، D نشان دهنده اتصال p-n متصل به نقطه مرکزی آنها است. این اتصال p-n امیتر در هنگام ساخت در امتداد کانال اهمی ثابت است و بنابراین نمی‌توان آن را تغییر داد.
مقاومت RB1، به مقاومت بین امیتر E و ترمینال B1 گفته میشود، در حالی که مقاومت RB2 بین امیتر E و ترمینال B2 است. از آنجایی که موقعیت فیزیکی اتصال p-n به ترمینال B2 نزدیکتر از B1 است، مقدار مقاومتی RB2 کمتر از RB1 خواهد بود.
مقاومت کل نوار سیلیکونی (مقاومت اهمی آن) به سطح دوپینگ واقعی نیمه‌هادی‌ها (semiconductors actual doping level) و همچنین ابعاد فیزیکی کانال سیلیکونی نوع N بستگی دارد و میتوان آن را با RBB نشان داد. اگر با اهم‌متر اندازه‌گیری شود، این مقاومت استاتیک معمولاً برای اکثر UJT های رایج مانند2N1671، 2N2646 یا 2N2647 بین 4 کیلواهم و 10 کیلواهم اندازه‌گیری میشود.
این دو مقاومت سری، یک شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ بین دو پایانه بیس ترانزیستور تک‌پیوندی ایجاد می‌کنند و از آنجایی که این کانال از B2 تا B1 امتداد دارد، زمانی که یک ولتاژ در دستگاه اعمال میشود، پتانسیل در هر نقطه در طول کانال متناسب با موقعیت آن بین پایانه‌های B2 و B1 است. بنابراین سطح گرادیان ولتاژ به مقدار ولتاژ تغذیه بستگی دارد.
هنگامی که در مدار استفاده میشود، ترمینال B1 به زمین متصل میشود و امیتر به عنوان ورودی دستگاه عمل می‌کند. فرض کنید یک ولتاژ VBB در UJT بین B2 و B1 اعمال شود به طوری که B2 نسبت به B1 بایاس مثبت است. با اعمال ورودی امیتر صفر، ولتاژ ایجاد شده در RB1 (مقاومت کمتر) تقسیم‌کننده ولتاژ مقاومتی را میتوان به صورت زیر محاسبه کرد:
ولتاژ RB1 ترانزیستور تک پیوندی
برای یک ترانزیستور تک پیوندی، نسبت مقاومتی RB1 به RBB که در بالا نشان داده شده است، نسبت مقاومت ذاتی (intrinsic stand-off ratio) نامیده میشود و با نماد یونانی η (eta) مشخص میشود. مقادیر استاندارد معمولی η از 0.5 تا 0.8 برای اکثر UJT های رایج متغیر است.
اگر یک ولتاژ ورودی مثبت کوچک که کمتر از ولتاژ ایجاد شده در مقاومت RB1 است (ηVBB)، اکنون به ترمینال ورودی امیتر اعمال شود، پیوند دیود p-n بایاس معکوس میشود بنابراین امپدانس بسیار بالایی داشته و دستگاه هدایت نمی‌کند. UJT خاموش بوده و جریانی عبور نمی‌کند.
با این حال، هنگامی که ولتاژ ورودی امیتر افزایش می‌یابد و از VRB1 (یا ηVBB + 0.7V، که در آن 0.7 ولت برابر است با افت ولتاژ دیود پیوند p-n) بزرگتر میشود، اتصال p-n بایاس مستقیم میشود و ترانزیستور تک‌پیوندی شروع به هدایت می‌کند. در نتیجه، جریان امیتر ηIE از امیتر به بیس جریان می‌یابد.
اثر جریان امیتر اضافی که به بیس جریان می‌یابد، مقدار مقاومت کانال بین اتصال امیتر و ترمینال B1 را کاهش می‌دهد. این کاهش مقاومت RB1 به مقدار بسیار کم، به این معنی است که اتصال امیتر بیشتر بایاس مستقیم شده و در نتیجه جریان بیشتری عبور می‌کند. این رفتار منجر به مقاومت منفی در ترمینال امیتر میشود.
به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی اعمال شده بین امیتر و ترمینال B1 به مقداری کمتر از شکست کاهش یابد، مقاومت RB1 به مقدار زیادی افزایش می‌یابد. بنابراین ترانزیستور تک‌پیوندی را میتوان به عنوان یک دستگاه شکست ولتاژ در نظر گرفت.
می توانیم ببینیم که مقاومت ارائه شده توسط RB1 متغیر است و به مقدار جریان امیتر، IE بستگی دارد. بایاس مستقیم اتصال امیتر نسبت به B1 باعث جریان بیشتری میشود که مقاومت بین امیتر، E و B1 را کاهش می‌دهد.
به عبارت دیگر، گذر جریان به امیتر UJT باعث میشود که مقدار مقاومت RB1 کاهش یابد و افت ولتاژ در آن، VRB1 نیز باید کاهش یابد، و اجازه می‌دهد جریان بیشتری عبور کرده و شرط مقاومت منفی را تولید می‌کند.
کاربردهای ترانزیستور تک‌پیوندی
حال که می‌دانیم یک ترانزیستور تک‌پیوندی چگونه کار می‌کند، برای چه کاری میتوان از آنها استفاده کرد؟ متداولترین کاربرد ترانزیستور تک‌پیوندی به عنوان یک وسیله راه‌انداز برای SCR و تریاک است، اما سایر کاربردهای UJT شامل مولدهای دندانه اره‌ای، نوسانگرهای ساده، کنترل فاز و مدارهای زمان‌بندی است. ساده‌ترین مدار UJT، نوسان‌ساز وقفه‌ای است که شکل موج‌های غیر سینوسی تولید می‌کند.
در یک مدار نوسان‌ساز وقفه‌ای UJT معمولی، ترمینال امیتر ترانزیستور تک‌پیوندی به محل اتصال مقاومت و خازن سری RCمتصل میشود که در زیر نمایش داده شده است.
نوسان‌ساز وقفه‌ای ترانزیستور تک پیوندی
هنگامی که یک ولتاژ (Vs) برای اولین بار اعمال میشود، ترانزیستور تک پیوندی خاموش است و خازن C1 به طور کامل تخلیه شده است اما به صورت نمایی شروع به شارژ از طریق مقاومت R3 می‌کند. از آنجایی که امیتر UJT به خازن متصل است، زمانی که ولتاژ شارژ Vc در خازن از مقدار افت ولتاژ دیود بیشتر میشود، پیوند PN مانند یک دیود معمولی رفتار کرده، بایاس مستقیم میشود و UJT را به حالت هدایت می‌برد و ترانزیستور تک پیوندی “روشن” است. در این مرحله امپدانس امیتر به B1، کاهش می‌یابد زیرا امیتر به حالت اشباع امپدانس پایین می رود و جریان امیتر از طریق R1 انجام میشود.
از آنجایی که مقدار اهمی مقاومت R1 بسیار کم است، خازن به سرعت از طریق UJT تخلیه شده و یک پالس ولتاژ افزایشی سریع در R1 ظاهر میشود. همچنین، از آنجایی که خازن از طریق UJT سریعتر از شارژ شدن از طریق مقاومت R3 تخلیه میشود، زمان تخلیه بسیار کمتر از زمان شارژ است زیرا خازن از طریق UJT با مقاومت کم تخلیه میشود.
هنگامی که ولتاژ دو طرف خازن به زیر نقطه نگهدارنده پیوند p-n (VOFF) کاهش می‌یابد، UJT خاموش شده و هیچ جریانی از اتصال امیتر عبور نمی‌کند، بنابراین یک بار دیگر خازن از طریق مقاومت R3 شارژ میشود و این فرآیند شارژ و تخلیه بین VON و VOFF به طور مداوم تکرار میشود در حالی که ولتاژ تغذیه Vs، اعمال میشود.
شکل موج نوسان‌ساز UJT
می‌توانیم ببینیم که نوسانگر تک‌پیوندی به طور مداوم بدون هیچ فیدبکی «روشن» و «خاموش» میشود. فرکانس کار اسیلاتور مستقیماً تحت تأثیر مقدار مقاومت شارژ R3 سری با خازن C1 و مقدار η است. شکل پالس خروجی تولید شده از ترمینال بیس 1 (B1) شکل موج دندانه اره‌ای است و برای تنظیم دوره زمانی، فقط باید مقدار اهمی مقاومت R3 را تغییر داد زیرا ثابت زمانی RC را برای شارژ خازن تنظیم می‌کند.
دوره زمانی، T شکل موج دندانه اره‌ای به عنوان زمان شارژ به اضافه زمان تخلیه خازن در نظر گرفته میشود. از آنجایی که زمان تخلیه، τ1 به طور کلی در مقایسه با زمان شارژ RC بزرگتر، τ2 بسیار کوتاه است، دوره زمانی نوسان تقریبا معادل T ≅ τ2 است. بنابراین فرکانس نوسان برابر با ƒ = 1/T است.
نوسان‌ساز UJT - مثال 1
برگه داده (data sheet) برای یک ترانزیستور تک‌پیوندی 2N2646، نسبت مقاومت ذاتی η را 0.65 نمایش می‌دهد. اگر از یک خازن 100nF برای تولید پالس‌های زمان‌بندی استفاده شود، مقاومت زمان‌بندی مورد نیاز برای تولید فرکانس نوسان 100 هرتز را محاسبه کنید.
1.دوره زمانی به شرح زیر است:
2.مقدار مقاومت زمان بندی R3 به صورت زیر محاسبه میشود:
بنابراین، مقدار مقاومت شارژ مورد نیاز در این مثال ساده به صورت 95.3 کیلواهم که نزدیکترین مقدار ترجیحی است، محاسبه میشود. با این حال، شرایط خاصی برای عملکرد صحیح نوسان‌ساز وقفه‌ای UJT لازم است زیرا مقدار مقاومت R3 می‌تواند خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد.
به عنوان مثال، اگر مقدار R3 خیلی بزرگ باشد (در حدود مگا اهم)، ممکن است خازن به اندازه کافی شارژ نشود تا امیتر تک‌پیوندی را به حالت هدایت ببرد، اما همچنین باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا اطمینان حاصل شود زمانی که خازن به زیر ولتاژ تحریک پایین‌تر تخلیه شد، UJT خاموش شود.
به همین ترتیب، اگر مقدار R3 خیلی کوچک باشد (چند صد اهم)، پس از راه‌اندازی، جریان وارد شده به ترمینال امیتر ممکن است به اندازه‌ای بزرگ باشد که دستگاه را به منطقه اشباع خود هدایت کند و از خاموش شدن کامل آن جلوگیری کند. در هر صورت، مدار نوسانگر تک‌یوندی نوسان نخواهد کرد.
مدار کنترل سرعت UJT
یکی از کاربردهای معمول مدار ترانزیستور تک پیوندی بالا، تولید یک سری پالس برای تحریک و کنترل تریستور است. با استفاده از UJT به عنوان یک مدار راه‌اندازی کنترل فاز در اتصال با SCR یا ترایاک، می‌توانیم سرعت موتور AC یا DC یونیورسال (universal) را مطابق شکل تنظیم کنیم.
کنترل سرعت ترانزیستور تک پیوندی
خلاصه ترانزیستور تک پیوندی یا UJT
- دیدیم که یک ترانزیستور تک‌پیوندی یا به اختصار UJT یک المان نیمه‌رسانای الکترونیکی است که فقط یک اتصال p-n در یک کانال اهمی از نوع N (یا نوع P) دارد. UJT دارای سه پایانه است که یکی امیتر (E) و دو تا بیس (B1 و B2) نامگذاری شده‌اند.
- دو اتصال اهمی B1 و B2 در هر انتهای کانال نیمه هادی با مقاومت بین B1 و B2، متصل می‌شوند، زمانی که امیتر مدار باز است که مقاومت بین بیس RBB نامیده میشود. اگر با اهم‌متر اندازه‌گیری شود، این مقاومت استاتیک معمولاً بین 4 کیلواهم و 10 کیلواهم برای اکثر UJT های رایج اندازه‌گیری میشود.
- نسبت RB1 به RBB را نسبت مقاومت ذاتی می‌گویند و نماد یونانی η (eta) به آن داده میشود. مقادیر استاندارد معمولی η از 0.5 تا 0.8 برای اکثر UJT های رایج متغیر است.
- ترانزیستور تک‌پیوندی یک دستگاه راه‌انداز حالت جامد است که می‌تواند در مدارها و کاربردهای مختلف، از تحریک تریستورها و ترایاک‌ها تا استفاده در مولدهای دندانه اره‌ای برای مدارهای کنترل فاز، استفاده شود. ویژگی مقاومت منفی UJT، آن را به یک نوسان‌ساز وقفه‌ای ساده و بسیار مفید تبدیل می‌کند.
- زمانی که به عنوان یک نوسان‌ساز وقفه‌ای متصل میشود، می‌تواند به طور مستقل بدون مدار مخزنی (tank) یا شبکه فیدبک پیچیده RC نوسان کند. هنگامی که به این طریق متصل میشود، ترانزیستور تک‌پیوندی قادر است یک رشته پالس با مدت زمان متفاوت را به سادگی با تغییر مقادیر خازن (C) یا مقاومت (R) تولید کند.
- ترانزیستورهای تک‌پیوندی معمولی موجود عبارتند از 2N1671، 2N2646، 2N2647، که 2N2646 محبوب‌ترین UJT برای استفاده در مولدهای پالس و دندانه اره‌ای و مدارهای تاخیر زمانی است. انواع دیگر دستگاه‌های ترانزیستور تک‌پیوندی نیز وجود دارند که UJT های قابل برنامه‌ریزی نامیده می‌شوند و می‌توانند پارامترهای سوییچینگ خود را توسط مقاومت‌های خارجی تنظیم کنند. رایج‌ترین ترانزیستورهای تک‌پیوندی قابل برنامه‌ریزی، 2N6027 و 2N6028 هستند.
