Thyristors: IL TRANSISTOR UJT


Il transistor unigliunzione, o "UJT", è un dispositivo switching piuttosto particolare: ha tre terminali, ma una sola giunzione PN. Esso non può amplificare i segnali; può tuttavia essere usato come componente attivo negli oscillatori. Il transistor UJT è costituito da una barra di silicio con contatti ad entrambi le estremità, denominati Base 1 (B1) e Base 2 (B2), ed inoltre da un elettrodo in alluminio collegato ad un punto lungo la barra; nel punto di contatto, l'alluminio crea una regione di tipo P, dando origine ad una giunzione PN. Tale elettrodo viene chiamato "emitter" (E).


figura 1
Normalmente la corrente fluisce da B2 a B1, determinando un gradiente di potenziale lungo la barra. Finchè la giunzione PN è polarizzata inversamente, scorre solo una minima corrente di fuga (IE0). Facendo salire la tensione applicata al terminale E, ad un certo punto la giunzione PN viene ad essere polarizzata in senso diretto, ed allora la corrente comincia a scorrere dall'emettitore nella barra di silicio. Si determina in tal modo un processo a valanga, che riduce drasticamente la resistenza fra E e B1; la corrente di emettitore cresce, mentre la sua tensione scende (in altre parole, la resistenza è diventata negativa).
In figura 1 si vede la caratteristica Tensione/Corrente per l'emettitore.


figura 2
Un'applicazione caratteristica del transistor UJT è il "relaxation oscillator", ovvero l'oscillatore a rilassamento.
Il circuito è mostrato in figura 2; funziona ugualmente bene con una tensione di alimentazione di 5 volt, o con tensioni più alte, purchè non si superino i valori limite del transitor impiegato. Il funzionamento è semplice: il condensatore C (da 0,1 μF) si carica attraverso la resistenza R (da 10kΩ); quando la tensione raggiunge il valore critico, l'emettitore dell'UJT va in conduzione e scarica il condensatore C. A questo punto C ricomincia a caricarsi ed il ciclo si ripete all'infinito.
Con i valori indicati, la frequenza di oscillazione dovrebbe essere di circa 1 Khz. Dall'oscillatore possono essere prelevati tre segnali: impulsi negativi su B2, impulsi positivi su B1, ed un dente di sega sull'emettitore.
La resistenza R1 ha il solo scopo di determinare una caduta di tensione quando viene attraversata dalla corrente dell'emettitore, generando degli impulsi positivi; se tali impulsi non sono necessari, la resistenza può essere omessa.
La resistenza R2 serve a ridurre la sensibilità dell'oscillatore alla temperatura, ed ha un valore ottimale per ogni tipo di UJT; un valore comunemente usato è quello indicato, di 470 Ω.


2N2646
Un transistor UJT una volta molto comune era il 2N2646. Adesso non è tanto semplice procurarsene qualche esemplare. Nell'immagine a lato viene riportata la sua piedinatura.
Altri UJT sono i transistor NTE6401 ed NTE6409; hanno la stessa piedinatura del 2N2646 (e cioè i piedini si corrispondono).


figura 3
L'oscillatore di figura 2 può essere utilizzato, per esempio, per un'applicazione che si ricollega a quanto si è detto nella lezione n. 8; si era infatti parlato della possibilità di regolare la potenza assorbita da un carico, con una tecnica particolare, detta "tecnica ad impulsi". Quello che adesso vedremo nella sua realizzazione pratica, è un circuito detto "Pulse width modulator", e cioè modulatore della larghezza d'impulso. Gli impulsi generati dal circuito si susseguono tutti alla stessa distanza l'uno dall'altro, e cioè con una frequenza fissa; varia però la loro larghezza, per cui si passa da impulsi stretti, simili a brevi guizzi, fino ad impulsi di larghezza tale da occupare in pratica tutto l'intervallo disponibile. Il circuito completo è illustrato in figura 3; esso può essere considerato come composto da tre blocchi distinti:
- a sinistra l'oscillatore realizzato con un transistor UJT
- al centro un amplificatore operazionale che confronta due tensioni
- a destra il controllo del carico o utilizzatore U, tramite un transistor di potenza TP.
Cuore del circuito è l'amplificatore operazionale, che in questo corso non è ancora stato trattato. Per comprenderne la funzione in questo circuito, basta sapere che esso opera confrontando due tensioni: la prima, applicata sul piedino n. 2, è la tensione ricavata dal partitore R4+RV+R5, mentre la seconda è la tensione del segnale oscillante, prelevata dall'emettitore del transistor UJT, ed applicata sul piedino n. 3
Utilizzato come si vede in questo circuito, l'amplificatore operazionale ha il seguente comportamento:
- se la tensione sul piedino 3 è superiore a quella presente sul piedino 2, l'uscita (piedino 6) è a livello alto, ovvero ha una tensione quasi uguale a quella di alimentazione
- se la tensione sul piedino 3 diventa anche di pochi mV inferiore a quella sul piedino 2, l'uscita passa a livello basso, ovvero la sua tensione va quasi a zero.
Questa funzione dell'amplificatore operazionale permette di modificare la larghezza degli impulsi, regolando, tramite la resistenza variabile RV, la tensione applicata sul piedino 2, che viene detta "tensione di riferimento".

figura 4
Come si vede in figura 4 A), quando la tensione di riferimento (regolata variando RV) è alta, solo in tratti molto brevi la tensione dell'oscillatore riesce a superare quella di riferimento, per cui la tensione in uscita dell'amplificatore operazionale andrà a livello alto solo per brevi istanti; man mano che la tensione di riferimento viene abbassata (B), si allarga il tratto in cui la tensione dell'oscillatore riesce a superare quella di riferimento, e quindi l'uscita dell'operazionale rimane a livello alto per tempi più lunghi. Ma poichè l'uscita dell'operazionale comanda il transistor TP, tutte le volte che essa è a livello alto, TP passa in conduzione, alimentando il carico collegato. Il risultato è che, variando l'ampiezza degli impulsi, il carico viene alimentato per tempi più lunghi e quindi il valore medio della potenza risulta maggiore.

Un circuito come quello appena descritto può utilmente comandare degli utilizzatori in corrente continua, come ad esempio un motore, regolandone la velocità senza dar luogo ad inutile dissipazione di potenza, similmente a quanto avviene usando il Triac nei circuiti a corrente alternata.
Per chi volesse realizzare il circuito, aggiungiamo che la tensione di alimentazione +V può essere di circa 12V. Come amplificatore operazionale va bene un comunissimo LM741 (figura sotto: guardando dal lato piedini, in corrispondenza della linguetta metallica si trova il piedino 8; quello immediatamente dopo, in senso orario, è il piedino 1 e quindi seguono gli altri fino al 7).
LM741LM741
(Piedinatura)
2N3055
(A destra: piedinatura vista dal lato inferiore)
Il transistor di potenza deve essere adeguato alle caratteristiche del carico che si desidera comandare: un 2N3055, ad esempio, è in grado di sopportare correnti fino a 15 A e tensioni fra collettore ed emettitore di circa 60 V, per una dissipazione di potenza complessiva superiore a 100 W.
Nel caso che l'utilizzatore richieda tensioni diverse da quella di 12V che alimenta il circuito, è necessario tenere separate le due alimentazioni, come si vede nell'esempio della figura sotto (dove si è ipotizzato un carico funzionante a 50V)
Il circuito di figura 3, con alimentazione separata per l'utilizzatore



IL PUT (Programmable Unijunction Transistor)

Il PUT, ovvero transistor unigiunzione programmabile, in effetti non è un transistor unigiunzione, ma un dispositivo a quattro strati PNPN che può essere fatto funzionare come un UJT (in effetti i PUT hanno sostituito gli UJT, che in pratica sono usciti di produzione). Gli elettrodi del PUT sono l'anodo (A), il catodo (K) ed il gate (G); il suo simbolo è quello che appare nel circuito di destra di figura 5.

figura 5

Come si vede nello schema a sinistra di figura 5, alla regione N situata in alto viene applicata una tensione Vs ottenuta tramite il partitore resistivo formato da R1 ed R2. Tale tensione polarizza inversamente la giunzione PN intermedia, per cui non fluisce corrente dall'anodo al catodo. Se la tensione applicata all'anodo sale oltre il valore Vs, si determina, similmente a quanto visto per l'SCR, il breakdown della giunzione PNPN ed il passaggio della corrente fra l'anodo ed il catodo. Il PUT viene definito "programmabile" perchè consente di scegliere a piacere (tramite il partitore R1- R2) la tensione critica Vs.
Nel circuito che si vede in figura 5 a destra, le oscillazioni si determinano quando il condensatore da 0,01 μF si carica attraverso la resistenza R (100kΩ) e si scarica attraverso il PUT. La resistenza R deve essere sufficientemente grande da limitare la corrente ad un valore inferiore ad Iv (vedere caratteristica al centro); in caso contrario, per IA> Iv, il transistor si trova a funzionare nella regione di stabilità, e quindi non si generano oscillazioni.







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