单结晶体管在混合延时继电器中的应用

毕德林

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300)

1 单结晶体管

1.1 单结晶体管的结构和符号

单结晶体管(Unipolar junction transistor，简称为UJT)也称双基极二极管。它是具有一个PN结的三端半导体元件，它的结构和等效电路图、表示符号如下图1。

图1 单结晶体管结构、等效电路图、符号

发射极E是从PN结的P端引出，从N型半导体引出两个基级，离发射极较远的是第一基极B1，另一个是第二基极B2。

从等效电路图可看出，在两个基极上加电压Vb时，R1上承受的电压Vo将按R1、R2的比例进行分配，电压Vo与总电压Vb之比称为分压比，以η表示，η= R1(R2+R1), 分压比η为单结晶体管的主要参数，一般在0.3～0.9之间。

1.2 单结晶体管的工作原理

图2 单结晶体管工作原理和特性曲线

工作原理如上图2所示，在B1、B2端加电压Vb，在发射极上加电压EE，当UE<ηVb时，流过R1的电流很小(B1、B2端的电阻一般为3～10千欧)，当UE>ηVb时(0点电压)，发射极电流IE急剧增加，UE突然下降，单结晶体管出现负阻特性，第一基极B1产生电流突变过程。下面依据单结晶体管特性曲线图对出现负阻特性进行物理分析。

(1)截止区

当UE=0时，由于二极管(即PN结)处于ηVb的反向电压作用下，只有很小的反向电流IEO。逐渐加大UE但小于ηVb的数值，PN结仍处于反向电压状态。但随着UE增大，反向电流逐渐减弱，出现特性曲线图中纵轴左侧特性。当UE=ηVb时，PN结两端电位相等，IE=0。

当随着UE继续增大使UE﹥ηVb时，IE虽然出现正值，但由于UE-ηVb小于于二极管的正向导通压降(0.7V)，故IE只有较小数值。因此，从UE=0时开始，至UE<ηVb+0.7，二极管基本处于截止状态。

(2) 单结晶体管的峰点电压UP和负阻区

当UE继续增大使UE=ηVb+0.7时，PN结处于正向电压之下，于是IE显著增加，由于通过E与B1间电流的增大，使R1相应减少，ηVb相应降低，又相当于PN结处于更大的正向电压作用下，因此，IE又进一步增大，如此循环，形成强烈的IE增大和UE下降的过程，出现负阻特性。把开始出现负阻特性的电压UE=ηVb+0.7叫做单结晶体管的峰点电压(峰点电流一般小于2μA)，以UP表示。

(3) 单结晶体管的饱和区

在单结晶体管出现负阻特性后，随着IE不断增大，UE不断降低至特性曲线图中的V点(V点称为谷点，谷点电压一般为1～2.5V，谷点电流一般为几个毫安)时，UE又将开始随着IE的增大而上升，恢复了正阻特性，这说明在V点时IE已处于饱和状态，若在进行升高电压，电流又开始上升。因此，V点以后的区域称为饱和区。

2 可编程单结晶体管

可编程单结晶体管(Programmable Uni-junction Transistor，简称为PUT)，又称可调单结晶体管，它实质上是一个N极门控晶闸管的功能(见图3)，与单结晶体管的用途相近。

图3 可编程单结晶体管结构、等效电路图、符号

可编程单结晶体管与单结晶体管的区别为：单结晶体管一经制成，从外部无法改变R1、R2、ηVb、IP、IV等参数值，又由于工艺的离散性导致同批次的每只单结晶体管的ηVb值总会存在一定的偏差，这就给使用过程中电路参数一致性带来影响。可编程单结晶体管圆满解决了这个问题，它是用外部电阻取代内基极电阻R1、R2，只需改变二者的电阻阻值，即可从外部调整其参数值，因此，可编程单结晶体管使用灵活，用途广泛。

可编程单结晶体管PUT与单结晶体管UJT的应用基本一致，本文只对UJT在延时继电器中的应用进行阐述。

3 单结晶体管UJT在延时继电器中的应用

3.1 在国军标GJB1513A规定的1型(动作延时)继电器上的应用

3.1.1该类型的延时继电器的输入、输出定时图如图4。

图4 1型动作延时

3.1.2采用单结晶体管UJT设计的1型延时继电器电路原理图如图5所示。

图5 1型延时继电器电路原理图

该延时继电器采用电磁继电器J的触点来进行输出电路的切换。

如上图所示，当延时继电器加工作电压E时，稳压管D2对延时部份进行稳压，电流通过电磁继电器J线圈电阻、R1、R2对电解电容C3进行充电，当C3上的电压达到单结晶体管UJT的峰点电压时，UJT的E、B1体现负阻特性，电容C3通过UJT的E极和B1极对R3进行放电，流过R3的电流突然增加，触发单向可控硅SCR导通，导致电磁继电器J导通，触点切换电路。

延时时间就是从电容C3开始充电到单结晶体管UJT体现负阻特性的时间，一般对于产品来讲，电容C3固定，延时时间通过变换R2进行调整。

3.2 在国军标GJB1513A规定的2B 型(释放延时)继电器上的应用

3.2.1该类型的延时继电器的输入、输出定时图如图6所示。

图6 2B型释放延时

3.2.2采用单结晶体管UJT设计的2B型延时继电器电路原理图如图7所示。

图7 2B型延时继电器电路原理图

该延时继电器采用双线圈磁保持电磁继电器J的触点来进行输出电路的切换。

如上图所示，当时间继电器施加工作电压E时，电流通过D1、继电器J的前激励线圈Ⅰ对电容C1进行充电，直至C1上的电压接近工作电压E为止；充电时，继电器J由于前激励而动作，触点恢复到初始状态。同时，电容C3通过D2、R2充电直至电容C3上的电压接近工作电压E(R2阻值很小)，电容C4通过D3、R4充电直至电容C4上的电压接近稳压管D4的稳定电压，电容C4上的电压(建议D4稳压值为6V)远远小于电容C3上的电压。

当时间继电器工作电压E断掉后，C3通过R1进行放电，C3上的电压逐渐降低，当降低到小于电容C4上的电压时，UJT的E、B1体现负阻特性，电容C4通过UJT的E极和B1极对R3进行放电，流过R3的电流突然增加，触发单向可控硅SCR导通，致使电容C1、继电器J的后激励线圈Ⅱ、SCR形成回路，C1上的电压加到继电器J的后激励线圈Ⅱ上，导致电磁继电器J后激励线圈工作，触点切换电路。

延时时间就是从工作电压E断掉后电容C3开始放电，C3上的电压逐渐降低到等于电容C4上的电压，单结晶体管UJT体现负阻特性而导通的时间，一般对于产品来讲，电容C3固定，延时时间通过改变R1进行调整。

4 单结晶体管UJT在延时继电器中的应用需要注意的问题

4.1 延时电路中采用的电解电容采用漏电流小的钽电解电容，使延时时间尽可能长。

4.2 加在单向可控硅SCR的K、G之间的电容C非常重要，它的作用是增加SCR的抗dv/dt能力，如果SCR的K、G之间不加电容C，延时继电器在工作时会随机出现零延时现象，即延时时间为零，延时继电器加电立即导通现象，产品可靠性非常差。

4.3 由于钽电解电容工作的最高温度为85℃，因此，延时继电器也只能工作在最高温度85℃，如果延时继电器需要工作在125℃，把加在钽电解电容上的电压限制在其标称工作电压的1/3以下，能完美解决这个问题。

5 采用单结晶体管UJT设计的延时电路的优缺点

随着集成电路发展，现在的1型延时继电器延时电路大多使用计数器和单片机，采用很小的电容、电阻或者晶体振荡器作为基准震荡频率，因此，产品体积小，延时时间长，延时精度高。使用单片机的延时时间通过编程可以很方便的进行时间调整，延时时间很长，可达几十小时，延时精度可达1%。采用单结晶体管的延时电路由于采用体积很大的钽电解电容，产品体积相对较大，延时时间相对非常短，一般在500s内，延时精度相对差，只能达到5%精度。也可以通过采用高精度的电容、电阻，延时精度可达到2%，但产品成本大幅增加。

使用计数器和单片机的1型延时继电器，如果加电时的电压不稳定(电源由机械触点控制，由于机械触点导通时的抖动，造成所加电压不稳定)或者电压缓慢上升时，有可能会造成计数器和单片机工作失效，造成零延时。因此，国军标GIB1513A-2009在延时时间的测试方法4.7.16.1条注明：如果电压的上升或者下降时间大于1μs,则会对定时循环产生有害影响。但对于使用单结晶体管UJT的延时继电器来讲，加电时的工作电压不稳定不会对继电器的延时功能造成影响，不会造成零延时，根据工作电压不稳定的时间长短，可能会对延时时间造成轻微的误差，而这个误差对于继电器的延时时间来讲可以忽略不计。所以，对于抗电源干扰来讲，使用单结晶体管UJT的延时继电器有绝对的优势，在使用过程中几乎可以不用考虑电源干扰因素。

6 结论

目前，混合延时继电器的型延时电路大多使用计数器和单片机进行设计，但如果工作电源不稳定，有干扰，建议还是使用单结晶体管UJT来设计混合延时继电器。对于2B型混合延时继电器，使用单结晶体管UJT来设计是最佳选择。