Релаксационные генераторы на полупроводниковых разрядниках.

 

Основной недостаток описанных выше схем — относительно ненадежный элемент: газонаполненная лампа, срок службы которой в режиме постоянного перезажигания довольно ограничен. Поэтому для большей стабильности работы устройств сейчас используются полупроводниковые элементы.

В данной лабораторной установке в качестве полупроводникового разрядника используется динистор.

Динистор — это двухэлектродный вариант полупроводникового трехэлектродного прибора — тиристора. (Иногда тиристор называют управляемым динистором.) Динистор принадлежит классу полупроводниковых диодов с S-образной вольтамперной характеристикой. На такой характеристике имеется участок с отрицательной дифференциальной проводимостью, и благодаря этому при определенной конфигурации цепи энергия источника напряжения (постоянного во времени) может преобразовываться в энергию колебательного процесса. Напряжение на динисторе и ток, протекающий через него, принимают весьма специфическую форму, существенно отличную от синусоидальной.

Другой известный полупроводниковый диод, имеющий на вольтамперной характеристике участок с отрицательной дифференциальной проводимостью, — туннельный диод. Однако его характеристика является N-образной. Отметим, что вольтамперная характеристика с «падающей» ветвью присуща и некоторым другим приборам, функционирующим на иной физической основе. Это, например, рассмотренные выше газоразрядные лампы с тлеющим разрядом, инжекционно-полевой транзистор, диод Ганна.

Важной отличительной чертой вольт-амперной характеристики (ВАХ) динистора (рис. 5, а) является наличие падающего участка, в пределах которого дифференциальное сопротивление отрицательно. Именно то обстоятельство, что динистор относится к числу приборов с отрицательным сопротивлением, дает возможность при соответствующих комбинациях напряжения питания E и параметров пассивных элементов цепи реализовать в установке режим релаксационных колебаний.

 

Принципиальная схема для реализации релаксационных колебаний с помощью полупроводникового разрядника — динистора приведена на рис. 6.

Вольтампреная характеристика динистора либо полупроводникового разрядника, представленная на рис. 5 идентичная ВАХ газоразрядной лампы тлеющего разряда, при этом напряжение u₁ называют напряжением включения тиристора (разрядника) Uвкл (аналог напряжения зажигания лампы), ток тиристора при этом скачком изменяется практически от близкого к нулю значения i₁ до тока i₂.

Таким образом, если увеличивать напряжение источника питания, ток динистора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. При напряжении Uвкл в динисторе (разряднике) создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (точка u₁ на рис. 5). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен тонкой линией. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.

После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода. После переключения напряжение на динисторе снижается до ~1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении. При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода – это напряжение аналогично напряжению гашения для газоразрядной лампы и обозначено на рис. 5 как u₂.

Таким образом, анализ схемы рис. 6 электрически полностью эквивалентен анализу схем релаксационных генераторов на газовых разрядниках рис.2, 3.

Из этого следует, что основная расчетная формула для определения периода релаксационных колебаний эквивалентна формуле (1.3):

При расчетах следует учесть, что для используемого в установке динистора напряжение «зажигания» (включения) U_З ≈4,2 В, напряжение питания схемы U₀ ≈5 В, напряжение «гашения» для всех современных динисторов и разрядников составляет U_г ~0,1 — 0,3 В. Таким образом U₀>> U_г и формулу (1.3) для расчета периода можно упростить:

(1.4)