Unijunction-Transistor (UJT) & Programmierbarer UJT (PUT): Design, Betrieb und Oszillator-Anwendungen

Was ist ein Unijunction-Transistor (UJT)?

Ein UJT ist ein dreipoliges Siliziumbauelement, das, obwohl kein Thyristor, größere Thyristoren durch Abgabe eines scharfen Impulses an seine Basis-B1 auslösen kann. Er besteht aus einem N-Typ-Siliziumstab mit einer zentral gelegenen P-Typ-Region. Die beiden Enden des Stabs sind die Basen B1 und B2; die zentrale P-Typ-Region fungiert als Emitter. Wenn der Emitter abgekoppelt ist, beträgt der gesamte Basis-zu-Basis-Widerstand (R_BBO) die Summe von R_B1 und R_B2 und liegt typischerweise zwischen 4 kΩ und 12 kΩ, abhängig vom Bauelement. Der intrinsische Stehspannungsverhältnis (η) – das Verhältnis von R_B1 zu R_BBO – variiert von 0,4 bis 0,8. Das Schaltzeichen ist in Abbildung (c) gezeigt.

Elektrische Eigenschaften

Die Emitterstrom-gegen-Emitterspeisespannung-Kurve (Abbildung (a)) zeigt, dass mit steigender Emitterspannung (V_E) der Emitterstrom (I_E) auf einen Spitzenwert (I_P) ansteigt. Jenseits dieses Punkts tritt das Bauelement in einen negativen-Widerstandsbereich ein, wo der Strom bei fallender Spannung abnimmt, bis ein Minimum am Talpunkt (V_V) erreicht wird. Der Widerstand von R_B1 ist an diesem Tal minimal. Für einen 2N2647 listet das Datenblatt I_P = 2 µA und I_V = 4 mA.

Die Spitzen-Spannung (V_P) entspricht dem Spannungsabfall über R_B1 plus einem ~0,7 V Diodenabfall. Die Talspannung (V_V) beträgt typischerweise etwa 10 % der Basis-zu-Basis-Versorgung (V_BB).

Relaxationsoszillator mit UJT

In einem UJT-basierten Relaxationsoszillator lädt ein Ladewiderstand (R_E) einen Kondensator (C_E) auf, bis die Emitterspeisespannung V_P erreicht. In diesem Moment entlädt der niedrige Widerstand zwischen Emitter und B1 den Kondensator rapide. Fällt die Kondensatorspannung unter V_V, steigt der Emitter-B1-Widerstand wieder an, der Kondensator lädt neu auf, und der Zyklus wiederholt sich. Die ungefähre Periode beträgt T ≈ R_E·C_E, aber ein genauerer Ausdruck ist in der Abbildung gegeben.

Der Entladeimpuls kann an den externen B1- und B2-Lastwiderständen auftreten. Der Widerstand an B1 sollte niedrig genug sein, um die Entladezeit nicht zu beeinflussen; der B2-Widerstand ist optional und kann kurzgeschlossen werden. Der Ladewiderstand muss so gewählt werden, dass er I_P bei V_BB - V_P liefern kann und den Talstrom auf I_V bei V_BB - V_V begrenzt. Für einen 2N2647 sind die Berechnungen in der Abbildung gezeigt.

Programmierbarer Unijunction-Transistor (PUT)

Der PUT ist ein dreipoliges, vierlagiges Thyristor-Bauelement, das sich wie ein UJT verhält, aber in Massenproduktion und zu niedrigen Kosten verfügbar ist. Sein Gate – ein N-Typ-Layer nahe der Anode – wird „Anoden-Gate“ genannt und ist im Schaltzeichen mit der Anode verbunden. Die PUT-Kennlinie (Anodenstrom vs. Anodenspannung) spiegelt die des UJT wider; die Gate-Spannung setzt die programmierbare Spitzen-Spannung (V_P). Externe Widerstände (R1 und R2) ersetzen die internen R_B1 und R_B2, sodass Designer das intrinsische Stehspannungsverhältnis (η = R1/(R1+R2)) programmieren können.

In einem PUT-Relaxationsoszillator lädt ein Widerstand (R) einen Kondensator auf, bis V_P erreicht ist. Das Bauelement leitet dann stark, zieht den Arbeitspunkt den negativen-Widerstands-Hang hinab zum Tal, und ein Stromspieß fließt durch die Kathode. Nach Entladung setzt der Punkt auf den aufsteigenden Ast zurück. Der Widerstand muss groß genug sein, dass er nie den Talstrom (I_P) liefert, aber klein genug, um V_P während des Ladens zu erreichen. Für einen 2N6027 mit 10 V Versorgung und η ≈ 2/3 liegt der akzeptable Widerstandsbereich bei 143 kΩ < R < 755 kΩ.

Beispiel-Parameter-Tabelle für 2N6027 PUT

Mit diesen Werten kann ein praktischer PUT-Relaxationsoszillator einen SCR-Lampendimmer ansteuern. Die Schaltung nutzt eine ungefilterte V_BB-Versorgung, einen Brückengleichrichter und einen verstellbaren Widerstand, der mit einem minimalen Serienwiderstand gepaart sein muss, um zu verhindern, dass der Potentiometer nach jedem Nulldurchgang am Talpunkt hängen bleibt.

Leistungsbetrachtungen

• PUT-Timing-Schaltungen sind typischerweise bis 10 kHz einsetzbar.
• Falls eine lineare Spannungsrampe statt einer exponentiellen benötigt wird, ersetzen Sie den Ladewiderstand durch eine Konstantstromquelle (z. B. FET-basierte Konstantstromdiode).
• Ein DIY-PUT kann aus einem PNP- und NPN-Transistor gebaut werden, indem man das Kathoden-Gate weglässt und das Anoden-Gate verwendet.

Kernaussagen

• Ein UJT besteht aus zwei Basen und einem zentralen Emitter; seine Emitter-B1-Strecke zeigt negativen Widerstand.
• Ein PUT ist ein dreipoliges Thyristor, das einen UJT emuliert, mit externem Widerstandsnetzwerk zur Einstellung des intrinsischen Stehspannungsverhältnisses.
• Beide Bauelemente eignen sich ideal für Relaxationsoszillatoren, Timing-Schaltungen und Thyristor-Auslösung.

Verwandte Ressourcen

• Thyristors Worksheet