9.4. Элементы релейного действия на негатронах

Негатроном называется элемент, имеющий нелинейную вольт-амперную характеристику с областью отрицательного сопротивле­ния. Таким элементом является тиристор — четырехслойный по­лупроводниковый прибор типа р — п — р — п (рис. 9.7, а). Его вольт-амперная характеристика (рис. 9.8, а) имеет три области А, В и С.

Область А соответствует закрытому состоянию тиристора. При этом анодный ток i_а мал, так как п — р-переход J₂ смещен в обрат­ном (непроводящем) направлении. Область B соответствует отрица­тельному сопротивлению. При u_а = u_вкл происходит обратимый ла­винный пробой тиристора, и напряжение на нем резко уменьшается. Область С соответствует открытому состоянию тиристора. В триодом тиристоре имеется дополнительный отвод от одной из баз (рис. 9.7, б). Наличие тока базы i_б позволяет уменьшить или увели­чить пробивное напряжение u_вкл (см. рис. 9.8, а) в зависимости от полярности напряжения U_б и направления тока i_б -

Построим релейную характеристику триодного тиристора. Вы­берем величины Е_а и R_н такими, чтобы нагрузочная прямая пересе­кала характеристику тиристора в трех точках (рис. 9.8, б). Напряже­ние Е_а < u_вкл Поэтому, если i_б = 0, тиристор выключен, что соответ­ствует точке А на нагрузочной прямой. В нагрузке протекает ток І₁, определяемый ординатой точки А. Увеличение тока i_б приводит к уменьшению u_вкл. При некотором значении i_бвкл, когда окажется, что Е_а > u_вкл, тиристор открывается, и ток в нагрузке скачком возрастает до І₂ (рис. 9.8, в), определяемого ординатой точки В (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 i_б приводит к увеличению І_выкл. При некотором значении тока i_бвыкл, когда І_выкл > І₂, тиристор выключается, и ток в нагрузке скачком падает до І₁, (см. рис. 9.8, в).

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 (сотни и тысячи ампер) и большие коэффициенты усиления i_н /i_э (до 10³). Тиристоры целесообразно использовать как выходные элементы управляющих систем для включения объектов большой мощности.

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

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 9.9, б) имеет три области. Область А соответствует протеканию туннельного тока. Область В — это область отрицательного сопротивления. При увеличении напряжения и > и _max уменьшается число электро­нов, способных совершать туннельный переход, и ток резко убывает. При и = и_min туннельный ток исчезает. В области С возрастает обычный диффузионный ток диода.

Схема реле на туннельном диоде (рис. 9.10, а) имеет два устойчивых состояния, определяемых точками А и В нагрузочной характеристики (рис. 9.10, б). Релейная характеристика показана на рис. 9.10, а. В исходном состоянии (i_вх = 0) туннельный диод открыт (точка 1), и по нагрузке протекает ток І₁ (реле включено). При подаче на вход схемы импульса положительной полярности возрастает напряжение на дио­де до значения u_max, и диод закрывается. Ток в нагрузке скачком уменьшается до І₂ (точка В). Реле выключается. Для включения диода на вход схемы подается импульс отрицательной полярности. Это вы­зывает уменьшение напряжения на диоде до и_min, и ток в нагрузке скачком увеличивается до значения І₁ (точка А).

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 и для усиления сигналов (рис. 9.10, г).