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EL TRANSISTOR UNIUNION (UJn yEL TRANSISTOR UNIUNION PROGRAMABLE'(PUn

5.1. INTRODUCCION

En la práctica anterior vimos jm componente, el tiristor, al que se le puede hacer conmutardesde el estado de bloqueo"al estado conductor mediante la aplicación de un impulsoconveniente en el terminal de. puerta En éste, veremos dos nuevos componentes, eltransistor uniunión (UJT) y el transistor uniunión programable (PUT), en los que tambiéntiene lugar un paso brusco del estado de bloqueo al estado conductor, con la diferenciarespecto al del tiristor en que este paso se produce cuando una tensión de control rebasaun valor determinado.

5.2. DESCRlPCION BASlCA

• B transistor UJT

El nombre UJT proviene de las siglas inglesas de Unijunction Transistor (transistoruniuníón), con las que se designa un elemento compuesto de una barra de silicio tipo N decuyos extremos se obtienen los terminales base 2 (B2) Y base 1 (BI). Esta barra de silicioconsta de un grado de dopado característico que le proporciona una resistencia llamadaresistencia interbases (RBB).

En un punto determinado de la barra, más próximo a B2 que a Bl' se incrusta unmaterial .tipo P para formar una unión P-N respecto a la barra original, dando lugar alterminal dé emisor (E). Considerando el lugar de inserción del material tipo P, se obtieneun divisor de tensión sobre la resistencia RBB original: el formado por las partes correspon-dientes de la barra N comprendidas entre B2 y E Y entre E y B1• A estas resistencias asíobtenidas se las denomina Rs, Y Rsz, respectivamente. La relación existente entre ellas esde suma importancia, de manera que se define el parámetro «1]» como

el cual depende del proceso de fabricación, del grado de dopado, de la geometría delelemento, ete. El fabricante suele proporcionar este dato entre sus hojas de especifica-cienes.

La Figura 5.1a muestra la estructura interna de un UJT, siendo su circuito equivalenteel de la Figura 5.1b~.El símbolo usual para este transistor se representa en la Figu-ra 5.1c. en el que se observa que la punta de la flecha apunta hacia el terminal B1•

EQ-- .• It---t

(a)

Figura 5.1. El transistor UJT: (a) Estructura física, (b) Circuito equivalente.(e) Símbolo más usual.

Tal como se ve en el circuito de la Figura 5.2, la forma habitual de polarizar al UJT esmediante dos baterías. una (VBB) que polariza a las bases y la otra (Va) para la uniónE-Bl' con la que se dota a dicha unión de una polarización directa. Este circuito nosservirá para obtener las curvas características del UJT.

Figura 5.2. Circuito para obtener lascurvas característicasdel UJT

En principio supondremos que el potenciómetro P es un cortocircuito. Si inicialmente;¡;:-

se hace VBB = OYse aumenta progresivamente la tensión VEE> la unión E- B 1 se comportacomo un diodo polarizado en directo.

El funcionamiento difiere notablemente cuando VBB es distinta de cero. En este caso, ypara una tensión VEJ; = O,circulará una corriente a través de la barra de silicio de valortal, que en el cátodo del diodo se obtendrá una tensión .

quedando, por tanto, la unión P-N polarizada en inverso y circulando una corrienteinversa de emisor. Conforme se aumenta la tensión VEE, disminuye la polarización inversadel diodo y, consecuentemente, la corriente de emisor, hasta llegar a un punto en el que nocircula corriente: esta tensión VEE será de valor igual a VK•

Si se continúa aumentando VEE• el diodo queda polarizado en directo, comenzando acircular una corriente de emisor, y cuando la tensión VEE alcanza el valor VK más los 0,7voltios correspondientes a la tensión de codo del diodo, el emisor inyecta portadores en laregión N de aquél, modulando la resistencia RBt' con lo .que ésta disminuye de valor hastaprácticamente desaparecer. En ese momento, la tensión VEB1 cae bruscamente, aumentan-do lE con la misma rapidez: se ha producido el cebado del UJT.

A la tensión VEB, correspondiente al cebado se la conoce como tensión de pico (Vp) ytiene como valor

~ = 1'/. VBB + 0,7

De la expresión anterior se deduce que la tensión de cebado del UJT depende de latensión de alimentación (VBB), con lo que variando ésta conseguiremos igualmente variarla tensión de pico. En la Gráfica 5.1 se observa el punto de pico del UJT para una tensiónVBB dada, indicándose con línea de trazos el cebado del elemento. A esta zona se la conocecon el nombre de zona de resistencia negativa.

Zona deconducción

Gráfica 5.1. Curvas características del UJT.

Una vez cebado -el UJT, si se aumenta el valor de P la corriente lE disminuirágradualmente, manteniéndose prácticamente constante la tensión VEB, hasta llegar a unpunto de P tal, que la corriente lE pasa por debajo del valor I", llamado de valle, momentoen el que se produce un paso del UJT al estado de bloqueo, aumentando VEB1 y disminu-yendo lE hasta el valor de la corriente de fuga del diodo.

[2]

..•.._. __ .._._-------~------------------------

• El transistor PUf

A

Con las siglas pUT de Programmable Unijunction Transistor (transistor uniunión progra-mable) se designa a un elemento cuyo comportamiento es similar al UJT,·con la diferencia

respecto a éste de que la relación '1 puede programarse mediante un divisor de tensiónexterior.

A pesar de llamarse transistor, su estructura es la de un tiristor en el que el terminal depuerta G se toma del lado del ánodo en lugar del de cátodo. En la Figura 5.3a serepresenta la estructura interna del elemento y en la Figura 5.3b su símbolo.

Al terminal de puerta, para diferenciarIe de los tiristores, se le suele denominar puertaanódica (G,().

6K

Figura 5.3. El transistor PUT. (a) Estructura interna. (b) Símbolo.

A

p

(b)K

N

p

La forma típica de polarizar al PUT se muestra en la Figura 5.4a, en la que se observael divisor de tensión de puerta formado por Rl y P. Aplicando el teorema de Thévenin alterminal de puerta, se obtiene el circuito equivalente (Fig. 5.4b), en el que el valor de Vs yRG vienen determinados por las expresiones

(a)

v. P v.. R _ Rl' PS = P + R

1' GU Y G:-. R; + P

FIgUla 5.4. Polarización del PUT. (a) Circuito completo. (b) Circuito equivalente.

(b)(a)

Para una Vs determinada y mientras VAA permanezca inferior a aquélla, la comente deánodo (lAl es. prácticamente despreciable, estando el PUT en estado de bloqueo. Si latensión VAA supera en cierta cantidad (llamada tensión de offset: Yorrset) a Vs•se produceuna inyección de portadores en el diodo formado por A y GA' dando lugar a un efecto deavalancha que provoca el cebado del PUT. Al valor VAl{ necesario para provocar estecebado se le llama tensión de pico (~), por analogía con el UJT.

Una vez cebado el PUT. si se reduce la tensión VAA' de manera que la corriente deánodo pase por debajo de un valor llamado de valle (Iv), se produce el paso al estado debloqueo, al igual que ocurría en el UJT.

En la Gráfica 5.2 se representa la curva característica del PUT;en -Jaque hAD

representa la corriente inversa de la unión ánodo-puerta, estando el terminal de cátodoabierto.

.[3]

v..••:

VÁ-

Gráfica 5.2. Curva característica del PUTI.u. para unas RG y J~ dadas,

Una vez visto el comportamiento básico de ambos elementos pasaremos a estudiar suprincipal aplicación: la de generador de relajación. . .

5.3. FUNCIONAMIENTO

11 Oscilador de relajación con UJT

En la Figura 5.5 se representa un circuito típico de oscilador de relajación con UJT y en elque la resistencia R2 cumple la función de estabilizar térmicamente al transistor. LaGráfica 5.3 muestra las formas de onda de salida de este circuito.

Al conectar la alimentación, el condensador e se empieza a cargar a través de R1 + Pcon una velocidad determinada por la constante de tiempo de estos elementos según laexpresión

Vc = VBB(l - e-ti')

Transcurrido un tiempo determinado ls, la tensión Ve será iguaLal valor de pico delUJT. con lo que éste se cebará, dando lugar a una corriente de emisor y provocando ladescarga de e a través de R3: en la salida v,,2 aparece un pulso de tensión .

•~----r---oVBB

v,,1----f

T= 2N2646R~ = 4,7 kQ, lí2 WR2 = 470Q, 1/2 WR3 = 33 n 1/2 WP = SOkne = 100 nF, 32 V

VaB = 15V

• ltt., •I I ( II t--T~

V. fo---'---- 1. J __~ I ,

I II I

~2 f IJ I

1-:' \.1 .".,lI _IFigura 55. Oscilador de relajacióncon UJT.

Gráf"rca5.3. Formas de onda del circuitode la Figura 55.

De la expresión anterior de carga del condensador se puede obtener el tiempo quetarda e en alcanzar la tensión ~ mediante

Si 10 que se pretende es diseñar un circuito para que el flanco de subida del diente desierra dure un tiempo ts determinado, bastará fijar el valor de uno de los componentes(normalmente C) para obtener el otro en función de él, mediante la expresión

e-In (1 _ VI')VBB

Ahora bien. conforme se descarga e, el valor de lE pasa por debajo del valor L;pasando el UJT, por tanto, al estado de bloqueo e iniciándose con ello un nuevo ciclo. Eltiempo tb durante el cual se descarga C se obtiene de la expresión de descarga de uncondensador a través de una resistencia, es decir, de

;~:'

pero Ve había alcanzado la tensión VI' y se descargará hasta la tensión de valle del UJT,modificándose por tanto la expresión anterior a la forma .

V" = ~ ·e-r/~

por otra parte, la tensión ~ corresponde al codo de un diodo polarizado en directo y,admitiendo que este valor sea de 0,7 Y, entonces

07 = V -e-t/r, p

luego, siendo r = R3· e y despejando lb> se obtiene

Sise desea calcular el valor de R3 (aunque normalmente se hace· lo suficientementebajo como para despreciar el tiempo de descarga de C) para que tI> tenga un valorprefijado, bastará despejaría de la ecuación anterior, así

C-(ln 0,7 - In ~)

Considerando que el período T de la onda de salida es la suma de ts Y tI> Y que esteúltimo suele ser despreciable frente a Is. se obtiene la frecuencia de oscilación del circuito

1 1f=-~-T ts

despreciando los 0,7 V se puede hacer V¡, ~ n : VBB para sustituido en la expresión de Is Yaplicando las propiedades de los logaritmos. nos queda

f =:. ~ ~ 1_-,--_-.-ts (Rl. + P)-C-In (_1_)

1 - r¡

ecuación que nos da. con bastante aproximación, la frecuencia de oscilación del circuito.Por último, añadir que la resistencia Rl en serie con P es necesaria, porque la recta de

carga del conjunto ha de cortar obligatoriamente a la gráfica del UJT en tres puntos paraque éste bascule, siendo el límite superior de P el correspondiente a una intensidadsuperior a la Ip del UJT, para que tenga lugar el paso del estado de bloqueo al estadoconductor,

• Oscilador de relajación con PUf

En la Figura 5_6 se representa un circuito típico de este tipo de oscñador, en el que puedecomprobarse un gran parecido al anterior, con la única diferencia del divisor de tensiónformado por R3 y P que, como se ha dicho anteriormente, permite programar la tensión ala que se produce el cebado del PUT, siendo, por tanto, este circuito más flexible en suutilización que su equivalente con UJT. Las formas de onda de las tensiones de salida delcircuito no se han representado debido a su gran semejanza con las dibujadas en laGráfica 5.3. refiriéndonos a estas últimas en la explicación del funcionamiento del circuito. [~]

Ir,-01

Th = BRY56R1 = 150k!l,~I/2 WR2 = R3 = 1 kQ, 1/2 WC=56nF,32VP = 2,5 kn

V:,y = 10 V

.---------.----<l~A

FJgUra 5.6. Oscilador derelajación con PUT.

Al conectar la alimentación, el terminal de puerta queda aplicado a un potencialdeterminadoporR, y P de valor '..,.

por otra parte, el condensador e se empieza a cargar a través de Rl' apareciendo entre susextremos una tensión

Esta carga de e continúa hasta que se alcanza la tensión Vp> momento en el que se• produce el cebado de PUT y provocando la descarga del condensador. Como ya sabemos.

la tensión Vpes igual a la suma de Voffset más lIS.pero en la mayoría de las ocasionesv"ffsetes de un valor suficientemente pequeño como para poder despreciarse, así pues. .

Vs = VA•4• (1 - eC"l/f)

y despejando el tiempo necesario para alcanzar .115

o lo que es igual

lS=-R1·C.ln(t-P

)R3 + P

expresión en la que se ve que este tiempo es independiente de la tensión de alimentación yque únicamente depende de la constante de tiempo y del divisor de tensión formado porRJ y P.

Si se desea diseñar un oscilador para un ts determinado, bastará fijar e y obtener R,en función de él. como se vio en el circuito anterior.

Una vez cebado (:1 PUT, el condensador se descarga a través de Rz hasta que 1.11 pasapor debajo de la corriente 1", momento en el que empezaría un nuevo ciclo.

Considerando que la tensión a la que se había cargado e en el momento del cebado esigual a Vs y que en el instante del,descebado del PUT la tensión Ve sea igual a la VAK deconducción, se tiene que

ahora bien, VAK es un dato que suele dar el fabricante, que para el BRY56 corresponde a1,4 V, así pues, despejando el tiempo que tarda en producirse la descarga de C. se obtiene

siendo el tiempo total del diente de sierra elcorrespondiente a

T = ts + tlt

.. Al igual que ocurría en el caso del UJT, el valor de R2 suele ser m~ipequeño encomparación con Rt. pudiéndose despreciar por tanto t¡,; la frecuencia de oscilación delcircuito vendrá dada por la expresión

.. 1 1!=-Z:1.-

T ts