Apuntes UJT

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

TRANSISTORES UNIUNIÓN UJT A continuación examinaremos un importante miembro de la familia de los tiristores, conocido como TRANSISTOR UNIUNIÓN (UJT) o también como transistor de doble base o bibase. El transistor uniunión es en realidad un tipo especial de transistor que se usa como un interruptor electrónico y no como dispositivo amplificador. Además puede usarse para generar formas de onda repetitivas que pueden servir para ejecutar muchas funciones útiles en circuitos electrónicos. Examinaremos ahora las características físicas y eléctricas del transistor UJT básico y veremos como se usa como interruptor electrónico y generador de forma de onda.

CONSTRUCCIÓN CONSTRUCCIÓN BÁSICA Como lo indica su nombre, el transistor uniunión solo tiene una unión de material semiconductor. El dispositivo consiste básicamente en un bloque o barra de material semiconductor tipo N que tiene un pequeño granulo de material tipo P fusionado en su estructura, como se muestra en la figura 1. A cada extremo de la barra de tipo N se suelda una terminal, como se muestra y estas dos terminales se llaman base 1 y base 2. Se suelda asimismo otra terminal al granulo de tipo P, a la cual se denomina emisor. Estas terminales se designan comúnmente B 1, B2 y E como se indica.

Figura 1 La barra de tipo N esta levemente dopada y por eso tiene pocos portadores mayoritarios que puedan soportar la circulación de corriente. Esto significa que la resistencia entre las terminales de base 1 y base 2 es bastante elevada. La mayoría de los transistores uniunión muestran una resistencia entre sus bases que esta comprendida aproximadamente aproximadamente entre 5 y 9 k. La zona en la cual se encuentran el granulo del tipo P y la barra del tipo N formando la unión PN tiene características similares a las de un diodo de unión PN. Por eso, podemos representar el transistor uniunión por el circuito equivalente. Este circuito equivalente consta consta de dos resistencias y un diodo que tiene el extremo del cátodo conectado entre las resistencias. El funcionamiento del transistor uniunión es mucho más fácil de EMILIO CHAVEZ ALVAREZ

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comprender cuando se usa este circuito equivalente (figura 2) en lugar de la estructura básica dibujada en la figura 1. Base 2

rB2 Emisor

D

rB1

Base 1

figura 2 El símbolo que se emplea comúnmente en los esquemas para representar el transistor uniunión se indica en la figura 3. La flecha en la terminal del emisor apunta hacia dentro para indicar que el transistor tiene un emisor del tipo P.

B2 E

B1 Figura 3

FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de un transistor UJT resulta mas aparente cuando se analiza su circuito equivalente. La figura 2 muestra que el circuito equivalente del transistor uniunión está polarizado en condiciones normales. Obsérvese que hay conectada una fuente de tensión externa entre las terminales de la base 1 y la base 2, de manera que la base 2 sea positiva con respecto a la base 1. Se conecto otra fuente de tensión externa entre las terminales del emisor a base 1 de manera que el emisor sea positivo con respecto a la base 1. Entre el lado positivo de la fuente y la terminal de emisor se intercala una resistencia. Está resistencia sirve únicamente para limitar a un nivel seguro la intensidad de la corriente que pasa por el emisor.

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Si la tensión de la fuente no es lo bastante alta para polarizar el sentido directo del diodo del circuito equivalente, las dos resistencias intercaladas en el circuito equivalente solo dejarán pasar una corriente pequeña entre las terminales de base 1 y de base 2. Esto significa que la tensión de VBB se distribuye sobre rB1 y rB2. La relación de la tensión entre los extremos de rB1 y la tensión de alimentación se conoce como relación de conductividad intrínseca y se representa por la letra griega ŋ (eta). Esta relación puede expresarse matemáticamente así:

Relación de conductividad intrínseca () = VB1/VBB Puesto que la caída de tensión que se produce en r B1 y r B2 es proporcional a los valores de sus resistencias, la relación de conductividad intrínseca también es igual al cociente de r B1 dividido por la resistencia total entre las terminales B1 y B2 (r B1+r B2). Esto puede expresarse matemáticamente como: = r B1/r B1+r B2

Esta última ecuación muestra que la relación de conductividad intrínseca viene determinada básicamente por las dos resistencias internas. Su valor viene determinado, por tanto por la construcción física del dispositivo y no puede regularse variando V BB ó VS. La relación de conductividad intrínseca se especifica para cada tipo de transistor uniunión que se hace y los valores típicos oscilan desde aproximadamente 0.5 hasta 0.8. Conociendo la relación de conductividad intrínseca de un transistor determinado, puede constatarse la tensión existente entre los extremos de r B1 correspondientes a cualquier valor dado de la tensión aplicada. Puede hacerse el cálculo transponiendo simplemente la primera ecuación indicada anteriormente, con lo que se obtiene:

VB1 = VBB Esta ecuación afirma simplemente que la tensión entre sus extremos de r B1 es igual a la relación de conductividad intrínseca multiplicada por VBB. Por ejemplo si un transistor UJT tiene una relación de conductividad intrínseca de 0.5 y si somete a una tensión VBB de 20 V la tensión en los extremos de r B1 será igual a 0.5 x 20 = 10V. El transistor UJT funciona de la forma que se acaba de describir mientras V S no sea lo bastante alta para polarizar el diodo den sentido directo y hacerlo conducir. Sin embargo, el transistor mostrará unas características bastante distintas cuando V S sea lo bastante elevada para polarizar el diodo en sentido directo. Para que ocurra esto es preciso que V S aumente hasta que la tensión que aparezca entre las terminales del emisor y base1 sea más alta que la que hay en los extremos de la resistencia de base1 y la tensión requerida para poner el diodo en estado de conducción que es aproximadamente 0.7V. En otras palabras la tensión en los extremos de la resistencia de base1 hace que el diodo se polarice en sentido inverso y esta tensión tiene que cancelarse por completo por la tensión de entrada en oposición a aquella. Entonces la tensión de entrada tiene que aumentar en un valor adicional de 0.7V por encima de V B1 para que el diodo se polarice en sentido directo por una tensión que sea lo bastante alta para hacerlo conducir. El valor de la tensión requerido de entrada para producir el encendido del diodo se llama tensión de pico y se designa generalmente Vp. El valor de Vp viene determinado por la tensión de alimentación, la relación de conductividad intrínseca y la tensión que se precisa para poner el diodo en estado de conducción. Esta relación puede mostrarse matemáticamente como sigue: Tensión pico Vp= VBB + Vd


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Esta ecuación afirma simplemente que Vp es igual al producto de la relación de conductividad intrínseca por la tensión de alimentación más la tensión requerida para hacer conducir el diodo. Generalmente los fabricantes no indican el valor Vp correspondiente a un transistor UJT particular ya que varía con la tensión VBB por ejemplo si un transistor tiene una  de 0.6 y una VBB de 10V su tensión de pico será: Vp = (0.6)(10)+0.7 Vp = 6+0.7 Vp = 6.7V Esto significa que el diodo conducirá cuando la tensión de entrada llegue a 6.7V: Hasta alcanzarse el valor Vp el diodo conduce solo una corriente inversa muy pequeña que circula por la terminal de emisor. Sin embargo, cuando se alcanza el valor Vp, el diodo cambia al estado de conducción y deja pasar corriente en sentido directo por su unión PN y por la terminal del emisor. Esta corriente se produce debido a que el diodo se disparo, pero también tiene lugar otra acción adicional. Al empezar a circular la corriente en el sentido directo, se inyectan muchos portadores de carga en la barra de tipo N levemente dopada y son barridos hacia la terminal de base 1 que es negativa con respecto al emisor. Esta corriente de portadores de carga hace aumentar la conductividad de la barra entre el emisor y b 1 que desde luego significa que luego se reduce la resistencia de base1. Esta resistencia menor hace que la corriente aumente aun más y se inyectan más portadores de carga de la barra, lo que a su vez hace descender aún más el valor de la resistencia de base 1. Esto a su vez hace aumentar la corriente aun más. Esta acción es acumulativa y empieza a producirse cuando se alcanza el valor Vp. Llegado ese momento se dice que el transistor UJT ha sido encendido o disparado y está en estado de conducción.

Vs

Figura 4 Si se hace aumentar mas la tensión de alimentación la acción acumulativa que se acaba de describir resulta aun mas aparente. Al aumentar V S aumenta IE rápidamente debido a la disminución de la resistencia de base 1. Además esta disminución del valor de resistencia 1 hace que la caída de tensión de entrada que aparece entre las terminales de emisor y base 1, disminuya aun cuando aumente del valor la corriente de entrada. El transistor UJT muestra, pues una característica de resistencia negativa después de ser disparado. Si se aumenta aun más el valor de V S, IE continuará aumentando pero acaba llegándose a un punto en que la tensión de entrada deja de disminuir y en realidad empieza a aumentar levemente. Este punto marca el fin de la EMILIO CHAVEZ ALVAREZ

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región de resistencia negativa. Mas allá de este punto un aumento de I E se ve acompañado de un ligero aumento de VE. Hasta aquí solo hemos considerado la acción que tiene lugar entre las terminales de emisor y base1 cuando enciende el UJT. Hemos visto que la resistencia de base 1 disminuye pero es importante recordar que la resistencia de base 2 también disminuye en cierta cantidad, pues algunos de los portadores de carga inyectados entran en esa porción de la barra de tipo N. sin embargo, la disminución del valor de la resistencia de base 2 es pequeña en comparación con la de base 1. Significa esto que la resistencia total de la barra se reduce una vez que el transistor enciende y esto trae consigo un aumento de la corriente que pasa por estas dos resistencias y la fuente de tensión. Sin embargo la resistencia de base 2 no disminuye mucho, y por eso deja que la corriente aumente hasta un valor elevado. La acción mas importante tiene lugar entre las terminales de emisor y base 1. Es precisamente esta parte del transistor la que proporciona las características más útiles. Las dos características más importantes son la facultad de pasar al estado de conducción al alcanzarse un valor específico de Vp, y la característica de resistencia negativa que tiene lugar durante cierto periodo de tiempo después de haber encendido el UJT.

CARACTERÍSTICAS V-I La acción que tiene lugar entre las terminales de emisor y base 1 de un transistor UJT se muestra gráficamente a continuación. La curva de esta figura muestra la relación entre la corriente que circula por emisor de un transistor uniunión típico y la tensión que aparece entre sus terminales de emisor y base1. Podría trazarse una curva como esta empleando un circuito como el ilustrado en la figura 4. Podrían observarse los valores de V E y IE mientras se hace variar VS entre amplios límites.

Figura 5 La figura 5 muestra que cuando V E es igual a cero circula por la terminal de emisor una pequeña corriente negativa. Se trata de una corriente de pérdida de pequeña intensidad que circula de izquierda a derecha a través de diodos debido a la tensión relativamente grande en los extremos de la resistencia de base 1. Al aumentar VE se EMILIO CHAVEZ ALVAREZ

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opone a VB1 y la corriente de pérdida disminuye. Cuando V E es igual a VB1 la corriente se reduce a cero y todo aumento interior de V E da lugar a que circule una corriente positiva de pico, se considera que el transistor esta en el estado de conducción. La corriente que circula en ese momento se llama corriente de pico y se designa Ip como se muestra en la figura 5. Sobrepasándose el punto Vp, V E disminuye al aumentar I E lo que da al dispositivo una característica de resistencia negativa. Esta resistencia negativa continúa hasta que V E empieza de nuevo. El punto en que V E alcanza su valor mínimo y empieza a aumentar se denomina la tensión de valle y se designa Vv. La corriente que circula en ese momento se denomina corriente de valle o Iv. Mas allá de l punto Vv, V E aumenta levemente al aumentar IE y el transistor ya no muestra una resistencia negativa.

APLICACIONES DEL TRANSISTOR UNIUNIÓN La característica de resistencia negativa del transistor UJT hace que sea útil para generar señales repetitivas. En la figura 6 se muestra un circuito que se emplea comúnmente para este fin. Este circuito se llama comúnmente oscilador de relajación y es capaz de generar dos tipos de formas de ondas que pueden usarse en una diversidad de aplicaciones +VBB

R1 VE VR2 CE

R2

Figura 6

Cuando se energiza el circuito el condensador se carga por la resistencia 1. Cuando la tensión entre los extremos del condensador alcanza el valor Vp del transistor, este enciende y la resistencia entre las terminales de emisor y base1 disminuye. Esto permite al condensador descargarse por el transistor y la resistencia 2. La tensión en el condensador desciende rápidamente al valor Vv del transistor, y esto hace que el transistor cese de conducir o se bloquee. Al apagarse el transistor, el condensador empieza a cargarse de nuevo y continúa así hasta volver a alcanzarse el valor Vp. Esto pone en estado de conducción entre el transistor con lo que el condensador puede descargarse hasta alcanzarse la tensión Vp y descendiendo rápidamente a Vv. La tensión aparece entre las terminales de emisor y base1 del transistor fluctúa como se muestra en la figura 7. Obsérvese que esta tensión sigue la forma de dientes de cierra y que después del encendido inicial varía únicamente entre Vv y Vp. Cada vez que se descarga el condensador es forzado el paso momentáneo de corriente por R2. Estos impulsos momentáneos de corriente hacen que la tensión presente en la resistencia dos fluctúe correspondientemente en forma de impulsos. Estos impulsos momentáneos de tensión se muestran en la figura 7. Obsérvese que los EMILIO CHAVEZ ALVAREZ

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impulsos son muy estrechos o agudos y que se produce un impuso cada vez que se descarga el condensador. Se notará también que la tensión nunca desciende por completo hasta cero. Siempre se producirá una pequeña caída de tensión entre los extremos de la resistencia dos debido a circular una corriente de poca intensidad por el transistor aun cuando el dispositivo este en el estado bloqueado.

VR2

10s

Figura 7 El número de señales completas de diente de sierra o impulsos que se producen en cada segundo puede variarse ajustando la resistencia 1. Si la resistencia 1 disminuye, el condensador se cargará más rápidamente y el circuito funcionará a una frecuencia más alta. Cuando R1 aumenta de valor, el condensador tarda mas en cargarse en Vp y la frecuencia disminuye. También puede variarse la frecuencia sustituyendo el valor por otro más grande o más pequeño. Un condensador más grande se carga más despacio, mientras que un condensador más pequeño se carga más rápidamente. Las formas de diente de sierra e impulsos producidos por el oscilador de relajación pueden usarse para realizar diversas funciones en circuitos electrónicos. Pero el transistor UJT también se usa en aplicaciones en las que no haga falta que oscile continuamente. Por ejemplo, el transistor UJT puede funcionar como un elemento biestable y conmutarse del estado de conducción al estado de bloqueo, o viceversa, al recibir una señal de entrada apropiada. El dispositivo puede usarse también como un divisor de frecuencia. Otra importante aplicación es su uso como dispositivo disparador. El transistor UJT es capaz de producir impulsos de corriente que se prestan idóneamente para disparar el SCR. En efecto el transistor UJT podría usarse para disparar el SCR del circuito de control de semi-onda. En otras palabras, la tensión en los extremos del condensador podría servir para disparar el transistor UJT y este a su vez podría generar los impulsos de disparo necesarios para encender el tiristor en el momento oportuno Sus características lo hacen muy útil en muchos circuitos industriales. El UJT se usa frecuentemente como dispositivo de disparo para SCRs- y TRIACs., otras aplicaciones incluyen osciladores no senoides, como generadores de dientes de sierra, control de fase, circuitos de sincronización

Funcionamiento UJT Cuando el emisor y base 1, V EB1 es menor que cierto valor denominado voltaje de pico Vp el UJT esta cortado y no puede fluir corriente del emisor a base1 ( IE = o) pues la unión esta polarizada inversamente Vp < Vb1 + Vp EMILIO CHAVEZ ALVAREZ

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El valor de voltaje del emisor que origina que la unión pn se polarizan en forma directa se denomina como V P Cuando V EB1 sobrepasa a V P en la pequeña cantidad el UJT se dispara o conduce. esto es la unión se polariza en forma directa, principia a fluir IE cuando esto sucede. el circuito emisor a base es prácticamente un circuito en corto y la corriente fluye instantáneamente de una terminal o otra Las mayoría de los circuitos con UJT el pulso de corriente de emisor a base es de corta duración , y el UJT rápidamente regresa al estado de corte el valor del voltaje pico del UJT viene dado como Vp = Vbb + Vpn

Vp = Vbb + 0.7v

Después de pasar a encendido del UJT opera en una región de resistencia negativa hasta cierto valor de I E como se muestra en la curva caracterizada siguiente

Como puede verse después del punto pico (V E = VP. IE = Ip) el voltaje VE decrece mientras l E continua creciendo, produciendo así la característica de resistencia negativa mas allá de punto de valle (V E = VV, IE = lV) el dispositivo esta saturado y VE crece un poco al crecer IE. El mecanismo por el cual el UJT se dispara, se muestra en la curva característica.Como el voltaje del emisor VE alcanza el voltaje pico V P, comienza o fluir una pequeña corriente, el UJT cae bruscamente a un pequeño voltaje ente las terminales de emisor base, a este pequeño voltaje se le denomina voltaje de valle V V Esta caída brusca ocurre debido al drástico crecimiento del numero de portales de carga disponible en la región de b1 cuando la corriente del emisor comienza a fluir hacía el cuerpo del dispositivo. Visto de fuera parece como si rb 1 se cae casi a cero ohms en un tiempo muy pequeño Cuando rb1 cae a un valor cercano a cero el circuito emisor base permite que un condensador extremo vacié su carga a través de un dispositivo. Dado que rb1 mantiene su valor original durante ese periodo no se produce una corriente instantánea grande proveniente de la fuente b 2 hacia b1 . EMILIO CHAVEZ ALVAREZ

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Oscilador de relajación Este tipo de circuito es también básico en otros circuitos de disparo y sincronización +VBB

R1 VE VR2 CE

R2

Funcionamiento Cuando se aplica la alimentación, el capacitor se carga a través de R1, hasta que alcanza el voltaje de pico V P en este punto la unión se polariza en forma directa y al característica del emisor pasa a región de resistencia negativa (VE decrece, IE crece). El capacitor se descarga enseguida y rápidamente a través de la unión polarizada en forma directa (rb y R 2). Cuando el voltaje del capacitor desciende hasta el voltaje del punto valle V V, el UJT se apaga, el capacitor principal se descarga nuevamente y el ciclo se repite, se muestra de onda del voltaje del emisor. Durante el tiempo que se descarga el capacitor, el UJT conduce, por lo consiguiente se desarrolla un voltaje en R2 como se indica en la figura


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Condiciones de encendido y apagado En el oscilador de relajación se deben cumplir ciertas condiciones para el UJT se encienda y se apague confiablemente. En primer lugar R1 no debe limitar a IE en el punto pico, en menos de I P.para ello la caída de voltaje de R1 en el punto pico debe ser mayor que IPR1.

La condición para encender es VBB – VP > IP R1

R1 < (VBB –VP) / IP

Para asegurar el apagado del UJT en el punto valle, R 1 debe ser suficientemente grande para que I E (en el punto valle) pueda decrecer abajo del valor especifico para Iv. Esto significa que el voltaje en R1 en el punto valle debe ser menor que IvR 1 Así la condición de apagado es VBB – VV < IV R1

R1 > (vBB - VV) / lv.

De este modo para un encendido y apagado apropiado R 1 queda adentro del rango (V BB – V P ) / I P > R 1 > (V BB - Vv) / lv

Para determinar cual es el valor C E que se debe utilizar, depende la frecuencia de oscilación que esta dada por f = 1/t, donde t = R1CE (f = frecuencia, t = tiempo).


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