單結晶體管在混合延時繼電器中的應用

畢德林

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞，721300)

1 單結晶體管

1.1 單結晶體管的結構和符號

單結晶體管(Unipolar junction transistor，簡稱為UJT)也稱雙基極二極管。它是具有一個PN結的三端半導體元件，它的結構和等效電路圖、表示符號如下圖1。

圖1 單結晶體管結構、等效電路圖、符號

發射極E是從PN結的P端引出，從N型半導體引出兩個基級，離發射極較遠的是第一基極B1，另一個是第二基極B2。

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

1.2 單結晶體管的工作原理

圖2 單結晶體管工作原理和特性曲線

工作原理如上圖2所示，在B1、B2端加電壓Vb，在發射極上加電壓EE，當UE<ηVb時，流過R1的電流很小(B1、B2端的電阻一般為3～10千歐)，當UE>ηVb時(0點電壓)，發射極電流IE急劇增加，UE突然下降，單結晶體管出現負阻特性，第一基極B1產生電流突變過程。下面依據單結晶體管特性曲線圖對出現負阻特性進行物理分析。

(1)截止區

當UE=0時，由于二極管(即PN結)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的數值，PN結仍處于反向電壓狀態。但隨著UE增大，反向電流逐漸減弱，出現特性曲線圖中縱軸左側特性。當UE=ηVb時，PN結兩端電位相等，IE=0。

當隨著UE繼續增大使UE﹥ηVb時，IE雖然出現正值，但由于UE-ηVb小于于二極管的正向導通壓降(0.7V)，故IE只有較小數值。因此，從UE=0時開始，至UE<ηVb+0.7，二極管基本處于截止狀態。

(2) 單結晶體管的峰點電壓UP和負阻區

當UE繼續增大使UE=ηVb+0.7時，PN結處于正向電壓之下，于是IE顯著增加，由于通過E與B1間電流的增大，使R1相應減少，ηVb相應降低，又相當于PN結處于更大的正向電壓作用下，因此，IE又進一步增大，如此循環，形成強烈的IE增大和UE下降的過程，出現負阻特性。把開始出現負阻特性的電壓UE=ηVb+0.7叫做單結晶體管的峰點電壓(峰點電流一般小于2μA)，以UP表示。

(3) 單結晶體管的飽和區

在單結晶體管出現負阻特性后，隨著IE不斷增大，UE不斷降低至特性曲線圖中的V點(V點稱為谷點，谷點電壓一般為1～2.5V，谷點電流一般為幾個毫安)時，UE又將開始隨著IE的增大而上升，恢復了正阻特性，這說明在V點時IE已處于飽和狀態，若在進行升高電壓，電流又開始上升。因此，V點以后的區域稱為飽和區。

2 可編程單結晶體管

可編程單結晶體管(Programmable Uni-junction Transistor，簡稱為PUT)，又稱可調單結晶體管，它實質上是一個N極門控晶閘管的功能(見圖3)，與單結晶體管的用途相近。

圖3 可編程單結晶體管結構、等效電路圖、符號

可編程單結晶體管與單結晶體管的區別為：單結晶體管一經制成，從外部無法改變R1、R2、ηVb、IP、IV等參數值，又由于工藝的離散性導致同批次的每只單結晶體管的ηVb值總會存在一定的偏差，這就給使用過程中電路參數一致性帶來影響。可編程單結晶體管圓滿解決了這個問題，它是用外部電阻取代內基極電阻R1、R2，只需改變二者的電阻阻值，即可從外部調整其參數值，因此，可編程單結晶體管使用靈活，用途廣泛。

可編程單結晶體管PUT與單結晶體管UJT的應用基本一致，本文只對UJT在延時繼電器中的應用進行闡述。

3 單結晶體管UJT在延時繼電器中的應用

3.1 在國軍標GJB1513A規定的1型(動作延時)繼電器上的應用

3.1.1該類型的延時繼電器的輸入、輸出定時圖如圖4。

圖4 1型動作延時

3.1.2采用單結晶體管UJT設計的1型延時繼電器電路原理圖如圖5所示。

圖5 1型延時繼電器電路原理圖

該延時繼電器采用電磁繼電器J的觸點來進行輸出電路的切換。

如上圖所示，當延時繼電器加工作電壓E時，穩壓管D2對延時部份進行穩壓，電流通過電磁繼電器J線圈電阻、R1、R2對電解電容C3進行充電，當C3上的電壓達到單結晶體管UJT的峰點電壓時，UJT的E、B1體現負阻特性，電容C3通過UJT的E極和B1極對R3進行放電，流過R3的電流突然增加，觸發單向可控硅SCR導通，導致電磁繼電器J導通，觸點切換電路。

延時時間就是從電容C3開始充電到單結晶體管UJT體現負阻特性的時間，一般對于產品來講，電容C3固定，延時時間通過變換R2進行調整。

3.2 在國軍標GJB1513A規定的2B 型(釋放延時)繼電器上的應用

3.2.1該類型的延時繼電器的輸入、輸出定時圖如圖6所示。

圖6 2B型釋放延時

3.2.2采用單結晶體管UJT設計的2B型延時繼電器電路原理圖如圖7所示。

圖7 2B型延時繼電器電路原理圖

該延時繼電器采用雙線圈磁保持電磁繼電器J的觸點來進行輸出電路的切換。

如上圖所示，當時間繼電器施加工作電壓E時，電流通過D1、繼電器J的前激勵線圈Ⅰ對電容C1進行充電，直至C1上的電壓接近工作電壓E為止；充電時，繼電器J由于前激勵而動作，觸點恢復到初始狀態。同時，電容C3通過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D3、R4充電直至電容C4上的電壓接近穩壓管D4的穩定電壓，電容C4上的電壓(建議D4穩壓值為6V)遠遠小于電容C3上的電壓。

當時間繼電器工作電壓E斷掉后，C3通過R1進行放電，C3上的電壓逐漸降低，當降低到小于電容C4上的電壓時，UJT的E、B1體現負阻特性，電容C4通過UJT的E極和B1極對R3進行放電，流過R3的電流突然增加，觸發單向可控硅SCR導通，致使電容C1、繼電器J的后激勵線圈Ⅱ、SCR形成回路，C1上的電壓加到繼電器J的后激勵線圈Ⅱ上，導致電磁繼電器J后激勵線圈工作，觸點切換電路。

延時時間就是從工作電壓E斷掉后電容C3開始放電，C3上的電壓逐漸降低到等于電容C4上的電壓，單結晶體管UJT體現負阻特性而導通的時間，一般對于產品來講，電容C3固定，延時時間通過改變R1進行調整。

4 單結晶體管UJT在延時繼電器中的應用需要注意的問題

4.1 延時電路中采用的電解電容采用漏電流小的鉭電解電容，使延時時間盡可能長。

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，延時繼電器在工作時會隨機出現零延時現象，即延時時間為零，延時繼電器加電立即導通現象，產品可靠性非常差。

4.3 由于鉭電解電容工作的最高溫度為85℃，因此，延時繼電器也只能工作在最高溫度85℃，如果延時繼電器需要工作在125℃，把加在鉭電解電容上的電壓限制在其標稱工作電壓的1/3以下，能完美解決這個問題。

5 采用單結晶體管UJT設計的延時電路的優缺點

隨著集成電路發展，現在的1型延時繼電器延時電路大多使用計數器和單片機，采用很小的電容、電阻或者晶體振蕩器作為基準震蕩頻率，因此，產品體積小，延時時間長，延時精度高。使用單片機的延時時間通過編程可以很方便的進行時間調整，延時時間很長，可達幾十小時，延時精度可達1%。采用單結晶體管的延時電路由于采用體積很大的鉭電解電容，產品體積相對較大，延時時間相對非常短，一般在500s內，延時精度相對差，只能達到5%精度。也可以通過采用高精度的電容、電阻，延時精度可達到2%，但產品成本大幅增加。

使用計數器和單片機的1型延時繼電器，如果加電時的電壓不穩定(電源由機械觸點控制，由于機械觸點導通時的抖動，造成所加電壓不穩定)或者電壓緩慢上升時，有可能會造成計數器和單片機工作失效，造成零延時。因此，國軍標GIB1513A-2009在延時時間的測試方法4.7.16.1條注明：如果電壓的上升或者下降時間大于1μs,則會對定時循環產生有害影響。但對于使用單結晶體管UJT的延時繼電器來講，加電時的工作電壓不穩定不會對繼電器的延時功能造成影響，不會造成零延時，根據工作電壓不穩定的時間長短，可能會對延時時間造成輕微的誤差，而這個誤差對于繼電器的延時時間來講可以忽略不計。所以，對于抗電源干擾來講，使用單結晶體管UJT的延時繼電器有絕對的優勢，在使用過程中幾乎可以不用考慮電源干擾因素。

6 結論

目前，混合延時繼電器的型延時電路大多使用計數器和單片機進行設計，但如果工作電源不穩定，有干擾，建議還是使用單結晶體管UJT來設計混合延時繼電器。對于2B型混合延時繼電器，使用單結晶體管UJT來設計是最佳選擇。