35. Реле на негатронах

Негатроном называется элемент, имеющий нелинейную вольтамперную характеристику с областью отрицательного сопротивления. Таким элементом является тиристор – четырехслойный полупроводниковый прибор типа p-n-p-n (рис. 9.7, а). Его вольтамперная характеристика (рис. 9.8, а) имеет три области A, B, C.

Рис. 9.7. Структурные схемы диодного и триодного тиристоров

Область A соответствует закрытому состоянию тиристора. При этом анодный ток ia мал, так как n-p-переход J2 смещен в обратном (непроводящем) направлении. Область B соответствует отрицательному сопротивлению. При ua = uвкл происходит обратимый лавинный пробой тиристора, и напряжение на нем резко уменьшается. Область C соответствует открытому состоянию тиристора. В триодном тиристоре имеется дополнительный отвод от одной из баз (рис. 9.7, б). Наличие тока базы iб позволяет уменьшить или увеличить пробивное напряжение uвкл (см. рис. 9.8, а) в зависимости от полярности напряжения Uб и направления тока iб.

Построим релейную характеристику триодного тиристора. Выберем величины Ea и Rн такими, чтобы нагрузочная прямая пересекала характеристику тиристора в трех точках (рис. 9.8, б). Напряжение Ea < uвкл. Поэтому, если iб = 0, тиристор выключен, что соответствует точке A на нагрузочной прямой. В нагрузке протекает ток I1, определяемый ординатой точки A. Увеличение тока iб приводит к уменьшению uвкл. При некотором значении iб вкл, когда окажется, что Ea > uвкл, тиристор открывается, и ток в нагрузке скачком возрастает до I2 (рис. 9.8, в), определяемого ординатой точки B (см. рис. 9.8, б). Время включения тиристора измеряется десятками микросекунд. Дальнейшее увеличение базового тока не влияет на ток нагрузки.

При выключении базового тока тиристор остается открытым. Для его выключения подается отрицательный потенциал на базу и изменяется направление базового тока. Увеличение iб приводит к увеличению Iвыкл. При некотором значении тока iб выкл, когда Iвыкл > I2, тиристор выключается, и ток в нагрузке скачком падает до I1 (см. рис. 9.8, в).

Рис. 9.8. Характеристика тиристоров

Таким образом, релейная характеристика тиристора с управлением по базе аналогична характеристике поляризованного реле. В отличие от транзисторов тиристоры являются одновременно и усилителями и элементами памяти. Они имеют более высокие рабочие напряжения (до 2000 В) и токи (сотки и тысячи ампер) и большие коэффициенты усиления iн/iэ (до 103). Тиристоры целесообразно использовать как выходные элементы управляющих систем для включения объектов большой мощности.

Рис. 9.9. Туннельный диод и его характеристика

Другим примером негатрона является туннельный диод (рис. 9.9, а), который аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие в том, что для изготовления используют полупроводниковые материалы с большой электропроводностью (германий, арсенид галлия), и содержание примеси в материалах примерно в 100 раз больше, чем в обычных диодах. В этих условиях при очень малой толщине p-n-перехода в нем возникает так называемый “туннельный” эффект, когда при больших напряжениях (доли вольта) ток диода сильно возрастает. Это связано с наличием туннельного механизма перехода электронов через p-n-переход, при котором электрон не затрачивает энергии на преодоление потенциального барьера.

Вольтамперная характеристика туннельного диода (рис. 9.9, б) имеет три области. Область A соответствует протеканию туннельного тока. Область B – это область отрицательного сопротивления. При увеличении напряжения u > umax уменьшается число электронов, способных совершать туннельный переход, и ток резко убывает. При u = umin туннельный ток исчезает. В области C возрастает обычный диффузионный ток диода.

Рис. 9.10. Реле на туннельном диоде и их характеристики

Схема реле на туннельном диоде (рис. 9.10, а) имеет два устойчивых состояния, определяемых точками A и B нагрузочной характеристики (рис. 9.10, б). Релейная характеристика показана на рис. 9.10, в. В исходном состоянии (iвх = 0) туннельный диод открыт (точка A), и по нагрузке протекает ток I1 (реле включено). При подаче на вход схемы импульса положительной полярности возрастает напряжение на диоде до значения umax, и диод закрывается. Ток в нагрузке скачком уменьшается до I2 (точка B). Реле выключается. Для включения диода на вход схемы подается импульс отрицательной полярности. Это вызывает уменьшение напряжения на диоде до umin, и ток на нагрузке скачком увеличивается до значения I1 (точка A).

Достоинством туннельных диодов является высокая рабочая частота (десятки мегагерц), поскольку туннельный переход электронов происходит практически мгновенно за время примерно 10-13 с. Недостатком их с точки зрения построения схем является отсутствие входного электрода, что вызывает трудности при соединении в схемах диодов друг с другом. Поэтому часто используют транзисторно-диодные элементы. В них туннельный диод служит для запоминания информации, а транзистор – для согласования входных и выходных цепей для усиления сигналов (рис. 9.10, г).