Разряд в газе, и некоторые полупроводниковые приборы (динисторы, туннельные диоды, и т.д.) имеют на ВАХ участок отрицательного сопротивления. В результате ВАХ становится неоднозначной по току или напряжению.
И сегодня мы посмотрим, как эта неоднозначность, и связанная с ней неустойчивость, может использоваться для генерации колебаний. Причем без усилителей (во всяком случае, в явном виде), без баланса фаз и амплитуд. При этом форма колебаний будет совсем не синусоидальной.
Рассматривать сегодня будем туннельный диод, динистор, тиристор. Газоразрядные приборы я осознанно исключил из сегодняшней статьи. Определяющее значение, в рамках статьи, имеет ВАХ, а не физические процессы в приборе. По этой же причине из рассмотрения исключены однопереходные транзисторы.
Неоднозначность ВАХ. N- и S- образные ВАХ
Появление на ВАХ участка, именно участка, с отрицательным дифференциальным сопротивлением, приводит к тому, что появляются точки, в которых знак дифференциального сопротивления меняется на противоположный. Это очень важные точки. С точки зрения математики, в этих точках наблюдается неустойчивость к малым возмущениям аргумента функции.
Можно выделить два основных вида, или типа, ВАХ
Красными линиями на иллюстрации я показал, в чем именно выражается неоднозначность. У N-образной ВАХ одному и тому же значению тока может соответствовать несколько разных значений напряжения. А у S-образной, одному и тому же значению напряжения может соответствовать несколько разных значений тока.
Несколько точек пересечения с ВАХ соответствуют нескольким же различным значениям сопротивления. И это является общим свойством двух типов ВАХ.
N-образная ВАХ характерная для туннельных диодов, а S-образная для динисторов (тиристоров, газоразрядных приборов) и однопереходных транзисторов.
Однако, в реальных устройствах идеализированный характер напряжения и тока, показанный на иллюстрациях красной линией, невозможен. Наш нелинейный полупроводниковый прибор будет включаться в схему, в типовом случае, через токоограничивающий резистор.
На иллюстрации показан прибор с N-образной ВАХ. Построение графика зависимости выходного напряжения от входного выполняется как обычно. Для каждого значения входного напряжения мы строим нагрузочную прямую. Точки пересечения нагрузочных прямых с ВАХ и дадут нам искомые значения выходного напряжения.
Как видно, зависимость выходного напряжения от входного сохраняет исходную неоднозначность ВАХ. Понятно, что сопротивление резистора будет влиять внешний вид и количественные характеристики, но сам характер зависимости, ее качественная характеристика, сохранится.
Зависимость выходного напряжения от входного имеет гистерезисный характер. То есть, наши приборы действительно можно использовать в релаксационных генераторах.
Полупроводниковые приборы с участком отрицательного сопротивления и параметры их ВАХ
Давайте поподробнее посмотрим на некоторые характеристики ВАХ различных полупроводниковых приборов. Мы не будем погружаться в физику процессов, но слегка коснемся эквивалентных схем некоторых приборов. Одновременно, мы посмотрим, как можно аппроксимировать их ВАХ отрезками прямых, для упрощения расчетов.
Туннельный диод
Из рассматриваемых сегодня приборов он единственный имеет N-образную ВАХ.
Хорошо видно, что мы имеем три абсолютно разных участка характеристик. А значит, мы не можем описать поведение туннельного диода с помощью какого либо единого соотношения. Даже для аппроксимации отрезками прямых у нас есть три разных участка, с разными сопротивлениями. Причем на втором восходящем участке у нас есть еще и дополнительное смещение по оси напряжений, которое можно на схеме замещения изобразить как дополнительный источник напряжения.
Обратите внимание, что мы фактически построили эквивалентную схему замещения туннельного диода на каждом отдельном участке в виде некоторого сопротивления (и источника напряжения). Но это сопротивление разное на каждом участке. Хоть его и можно (очень условно!) считать постоянным в пределах участка аппроксимированной ВАХ.
Поэтому для расчета схем с туннельным диодом мы не можем использовать закон Ома для схемы в целом! Но мы можем использовать его в пределах каждого отдельно взятого участка ВАХ.
Динамическая эквивалентная схема туннельного диода (упрощенная!) состоит из нелинейного резистора и подключенного параллельно ему конденсатора. При этом нужно четко понимать, что этот нелинейный резистор на самом деле нужно воспринимать как три разных переключаемых резистора. Схема с туннельным диодом это схема с коммутацией!
При достижении током уровня Ip напряжение на приборе скачком меняется с Up на Uп. Можно считать, что это происходит при постоянном токе через диод (та самая неустойчивость). Это и рассматривается как коммутация. Для обеспечения постоянства тока во время скачка напряжения можно последовательно с резистором R включить катушку индуктивности.
Динистор
Динистор, как и все далее рассматриваемые приборы, имеет S-образную ВАХ. Однако, ВАХ разных приборов имеют свои особенности, которые нужно учитывать.
В целом, здесь все очень похоже на ситуацию с туннельным диодом. Только вместо пика и впадины здесь включение и выключение. И точно так же, мы вынуждены рассматривать при расчетах ВАХ не как единое целое, а как совокупность трех различных участков.
А при аппроксимации этих участков отрезками прямых мы получим три различных значения эквивалентных сопротивлений. Для каждого участка свое. Принцип расчета эквивалентных сопротивлений и напряжения отсечки (e0) точно такой же, как и для туннельного диода. Поэтому я не буду это здесь повторять.
Если работа туннельного диода, на уровне физики, описывается туннельным эффектом, то динистор является четырехслойным полупроводниковым прибором. В нем чередуются 4 слоя полупроводникового материала разной проводимости - PNPN. И его можно представить эквивалентной схемой из двух соединенных (К-Б, К-Б) транзисторов разной проводимости. С точки зрения схемотехники, такой эквивалент является несимметричным триггером с непосредственными связями.
И точно так же, как для туннельного диода, мы не можем использовать закон Ома для расчета схемы в целом. Мы может использовать закон Ома только в пределах каждого отдельно взятого участка ВАХ. Схема с динистором это тоже схема с коммутацией. Только здесь происходит скачок тока при достижении напряжением значения Uвкл. Этот скачок происходит при постоянном напряжении на динисторе. Постоянство напряжения можно обеспечить подключив параллельно динистору конденсатор. Это касается всех приборов с S-образной ВАХ.
Динамический эквивалент динистора это нелинейный резистор с последовательно включенной индуктивностью. Точно так же надо понимать, что нелинейный резистор надо воспринимать как три разных переключаемых резистора.
Тиристор
Отличается от динистора тем, что имеет дополнительный вывод от одного их средних слоев. Этот вывод называется управляющим электродом (УЭ). С помощью тока через управляющий электрод можно управлять напряжением включения. В остальном, тиристор можно считать управляемым аналогом динистора.
Ток через УЭ, при котором участок отрицательно сопротивления вырождается, называется током спрямления. При токе через УЭ равном или большем тока спрямления тиристор фактически превращается в обычный диод.
Релаксационный генератор на туннельном диоде
Туннельный диод может использоваться не только для генерации, но и для усиления. Поэтому при построении генератора нужно соблюдать определенные условия.
Но сначала нам надо посмотреть на параметры реальных туннельных диодов. Германиевые туннельные диоды сегодня уже не найти. А вот арсенид-галлиевые еще можно. Хотя тоже уже редкость.
Давайте возьмем довольно распространенный когда то (в узких кругах) туннельный диод АИ301Б. У него напряжение пика 0.18 В, а ток пика 5 мА. Напряжение раствора от 0.85 В до 1.15 В. Отношение тока пика к току впадины равно 8. Как видно, это весьма маломощный и весьма низковольтный прибор. У других туннельных диодов параметры примерно того же порядка.
Теперь давайте посмотрим на схему генератора ну туннельном диоде
Вспомните, я ранее говорил, что катушка индуктивности нужна для поддержания постоянства тока в момент переключения диода.
Что бы в схеме возникала генерация, необходимо соблюдение двух условий (не считая наличия индуктивности)
При соблюдении этих условий нагрузочная прямая пересекает участок отрицательного сопротивления. А это необходимое условие возникновения генерации.
Выходное напряжение генератора имеет такой вид
Аналитические выражения длительностей отдельных составляющих выходного сигнала довольно сложны и я не буду их здесь приводить. Если честно, просто немного лень набирать в графическом редакторе многоэтажные формулы для статьи, в которой рассматриваются в большей степени собственно процессы, а не их количественные характеристики. Надеюсь, читатели меня простят.
При включении источника питания ток через диод начинает нарастать, рабочая точка движется по первому восходящему участку. Эквивалентная схема генератора генератора для этого этапа работы показана на иллюстрации со схемами слева внизу.
Ток нарастает экспоненциально, так как в цепи протекания тока имеется катушка индуктивности. Нелинейность сопротивления диода на этом участке мы не будем принимать во внимание.
При достижении тока через диод значения Ip напряжение на диоде скачком увеличивается с Up до Uп (напряжение раствора). При этом ток в цепи поддерживается неизменный благодаря катушке индуктивности. Так формируется передний фронт выходного сигнала.
Рабочая точка оказывается на втором восходящем участке, а эквивалентная схема для этого этапа показа на иллюстрации со схемами справа внизу. Ток в точке пересечения нагрузочной прямой и ВАХ меньше тока впадины и меньше тока пика. Поэтому ток через диод, поддерживаемый катушкой индуктивности, начинает снижаться.
При снижении тока до значения тока впадины напряжение на диоде скачком изменяется до напряжения немного меньшего напряжения пика, так как ток опять поддерживается неизменным катушкой индуктивности. Так формируется задний фронт импульса.
Рабочая точка вновь оказывается на первом восходящем участке ВАХ, а ток через диод начинает нарастать. Процессы в схеме повторяются.
Если изменения напряжения источника Е не не вызывает выхода точки пересечения нагрузочной линии за границы участка отрицательного сопротивления, то амплитуда импульсов остается неизменной. Однако, частота колебаний зависит от E, так как токи в схеме зависят от E.
Обратите внимание, что рабочая (или изображающая) точка проскакивает участок отрицательного сопротивления практически мгновенно. А в упрощенном представлении мгновенно. И не может нигде остановиться в пределах этого участка.
Три режима работы схемы с прибором с S-образной ВАХ. Релаксационный генератор на приборе с S-образной ВАХ
Для приборов с S-образной ВАХ возможны три различных режима работы. В каком именно режиме будет работать схема определяется резистором в цепи. При этом сама схема остается неизменной
Поскольку в данном случае прибор действительно может быть любым (динистор, тиристор, лавинный транзистор, газоразрядный прибор, однопереходный транзистор), главное, что бы ВАХ была S-образной, я просто привел его эквивалентную схему, схему замещения.
Здесь S это нелинейное сопротивление. Причем, как уже говорил ранее, это сопротивление надо рассматривать как три разных переключаемых сопротивления. L это паразитная индуктивность. Точно так же у нас была паразитная емкость для N-образной ВАХ.
Режим работы генератора определяется сопротивлением резистора, который задает положение нагрузочной прямой
Нагрузочная прямая I, которая проходит через одну точку на участке отрицательного сопротивления, соответствует автоколебательному (астабильному) режиму работы. Так как точка на участке отрицательного сопротивления является неустойчивой.
Нагрузочная кривая II, которая проходит через три точки ВАХ, соответствует триггерному (бистабильному) режиму работы. Верхняя и нижняя точки пересечения являются стабильными, устойчивыми. А точка на участке отрицательного сопротивления нет.
Вообще говоря, триггерный режим работы может возникнуть и в схемах на туннельном диоде. И даже в схемах вообще без полупроводниковых или газоразрядных приборов. В статье о феррорезонансном стабилизаторе я описывал триггерный эффект (защелкивание) для стабилизатора с резонансом напряжений. А ведь там только дроссель является нелинейным элементом!
Нагрузочные прямые III и IV определяют ждущий (заторможенный, моностабильный) режим работы генератора.
Работа релаксационного генератора на приборе с S-образной ВАХ в автогенераторном режиме довольно проста. При включении источника напряжения Е напряжение на конденсаторе, а значит и на приборе, начинает нарастать.
При достижении значения Uвкл ток через прибор лавинообразно изменяется с Iвкл до тока выше Iвыкл. Конденсатор при этом поддерживает постоянство напряжения, как катушка индуктивности поддерживала тока в схеме с туннельным диодом.
Конденсатор начинает быстро разряжаться. Причем паразитная индуктивность довольно существенно влияет на этот процесс. Когда напряжение на приборе (конденсаторе) снизится до уровня Uвыкл, рабочая (изображающая) точка лавинообразно переместится на нижнюю (первую восходящую) ветвь ВАХ. Конденсатор снова начнет заряжаться, а процессы в схеме будут повторяться.
В отличии от генератора на туннельном диоде мы здесь не ограничены в напряжении источника Е. И если амплитуда колебаний напряжения на конденсаторе много меньше напряжения источника, при большом R, нарастающий фронт получается довольно близким к линейному. Что и определило использование таких генераторов для формирования напряжения пилообразой формы. В дополупроводниковую эпоху. Когда требования к линейности были не очень высокими, что делало нецелесообразным использование сложных ламповых схем.
Заключение
Неоднозначность ВАХ, которая приводит к неустойчивости положения рабочей (изображающей) точки на отдельных ее участках, позволяет строить очень простые генераторные схемы. Их параметры не очень высоки, но зато такие схемы просты и дешевы. И могут быть основой более сложных схем.
При этом мы сегодня вообще не погружались в физику. Мы использовали только электротехнику. И расчеты этих схем довольно просты. Даже расчет временных параметров генератора не туннельном диоде не сложен, просто он громоздкий.
