Zasada działania generatora szybkich impulsów opartego o tranzystor lawinowy

[RobertG]

Taki generator przedstawiony jest na rysunku poniżej, R2 to obciążenie.

Napięcie V jest dość duże, rzędu 100V, tranzystor, mimo, że jest w stanie nieprzewodzenia (baza zwarta do masy), na skutek tak dużego napięcia "przebija się" i zaczyna przewodzić, moje pytania: 

- w czasie, gdy złącze C-E przewodzi, jakie jest na nim napięcie?

- dlaczego tranzystor nie ulega uszkodzeniu?

- czy tranzystor można by zastąpić iskiernikiem i wciąż uzyskać generator (o innych parametrach)?

- dlaczego na wielu schematach między bazą a masą wpięty jest rezystor?

Edytowano Luty 5, 2020 przez RobertG

[Waldy]

Odpowiedź może się kryć tutaj

[RobertG]

@Waldy a konkretnie?

Edytowano Luty 5, 2020 przez RobertG

[marek1707]

Trochę mnie zaskakujesz tymi pytaniami, bo z jednej strony robisz jednak jakieś projekty aż drugiej wiedza okazuje się bardzo płytka. Czyżby to jednak była zabawa "na czuja" i jak wyjdzie to dobrze a jak nie to nie wiemy dlaczego?

OK, tranzystor nie ma złącza C-E więc pytanie jest od czapy. Rozumiejąc intencję, chcesz zapytać pewnie jakiego napiecia możesz oczekiwać między kolektorem a emiterem albo na wyjściu? Tego nie wiadomo, bo zjawisko wyładowania lawinowego (avalanche breakdown) jest niesymulowalne i nieobliczalne w amatorskich warunkach. To złożony proces do którego zwyczajnie nie masz danych wejściowych. Przebieg zjawiska zależy w zasadzie od wszystkiego: począwszy od rodzaju półprzewodnika, technologii jego wykonania, wielkości domieszkowania, fizycznych wymiarów struktury, jej parametrów elektrycznych statycznych i dynamicznych a także od otoczenia: parametrów podstawowych i pasożytniczych elementów wokół trnazystora itp itd. Generalnie powinieneś zacząć od przeczytania obszerengo artykułu Jima Wiliamsa z Linear Technology pt. "A seven-nanosecond Comparator for Single Supply Operation". Nie jest to tekst stricte o tym zjawisku, ale gość zaprezentował gdzieś pod koniec praktyczny układ generatora impulsów jednonanosekundowych do testowania sond i oscyloskopów służących do testowania jego najnowszego, tytułowego komparatora  

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an72f.pdf

Wtedy sprzęt próbkujący 1GHz (oczywiście w kolejno przesuniętych przebiegach, nigdy real-time) to był szczyt techniki.. No i ten schemacik (str. 40) jest wielokrotnie powtarzany jako wzorzec. Nawet zdania o doborze tranzystorów (bo niestety trzeba je dobierać) są powielane wprost np. Wikipedii:

https://en.wikipedia.org/wiki/Avalanche_transistor

czy innych artykułach:

https://www.elprocus.com/avalanche-transistor-circuit-working-characteristics/

Tranzystor po przebiciu lawinowym otwiera się, "samoczynnie" generując sobie nośniki w obszarze złącza C-B z powodu dużego natężenia pola elektrycznego. Prąd jest pobierany wyłącznie z kondensatora wejściowego i tutaj szkoda, że nie pokazałeś wartości elementów, bo one są kluczowe i pokazują jak to działa. Jeżeli na wejściu masz 1Meg i 2pF to z czego ma się spalić złącze pn? Na rezystorze emiterowym (dopasowanym obowiązkowo do impedancji linii transmisyjnej którą wyprowadzasz sygnał z generatora a więc zwykle 50Ω) odbierasz impuls odłożonego napięcia, który w zasadzie zawsze wygląda jak piramida: najpierw szybko rośnie (dzięki powielaniu lawinowemu złącze CB ma wtedy ujemną rezystancję) a za chwilę szybko maleje, bo prąd kolektora rozładował kondensator wejściowy i "zagłodził" sam siebie. Opornik 1Meg w tym procesie praktycznie nie istnieje. I cała sztuka w tym by tak dobrać pojemność "zasilającą", by impuls był najwyższy możliwy, ale nie miał zbyt dużej energii by spalić tranzystor. Żeby uzyskać sensowne wyniki i rzecz była warta świeczki (bo 2-5 nanosekundowe impulsy to możesz dziś uzyskać bez łaski z bramki cyfrowej) trzeba się trochę postarać z montażem. Opornik w bazie jest ważny, bo dzięki temu prąd złącza CB "nie ucieka" do masy tylko wpływa do emitera, ale jak zwykle w całym tym układzie to tylko teoria - i tak każdy element musisz dobrać do tego co chcesz dostać na wyjściu, do konkretnej sztuki konkretnego tranzystora, do pozostałych elementów i napięcia zasilającego.

I tak, oczywiście, w tym samym układzie możesz użyć iskrownika gazowego, choć parametry impulsu będą rzecz jasna inne.

 

[RobertG]

@marek1707 dzięki za obszerne wyjaśnienie moich pytań.

Co do mojej wiedzy, nigdzie nie pisałem, że jest duża. Ukończyłem inne studia i nie jestem elektronikiem z zawodu, ale lubię te rzeczy (zwłaszcza elektronikę analogową i mierzenie rzeczy) i staram się poszerzać swoją wiedzę, również tą teoretyczną.

[marek1707]

To jeszcze napisz proszę co Ci tym razem chodzi po głowie. Układy z elementami lawinowymi to wąska grupa i ciekaw jestem czy zwyczajnie natknąłeś  się na coś nowego i pytasz z ciekawości (bo np. układ nie działa w symulacji), czy pod jakieś konkretne zastosowanie. A zwykle na początku jest wiele różnych możliwości rozwiązania problemu i warto je rozważyć zanim się zabrnie w jakieś pochopnie uznane za "jedynie słuszne".

[RobertG]

@marek1707 zaintrygował mnie ten układ, bo patrząc na schemat, na pierwszy rzut oka nie powinno się nic dziać, ew. tranzystor powinien się spalić.

 

 

[marek1707]

Nie no spalić to raczej nie. Chyba, że wciągasz naprawdę jakieś przypadkowe schematy z sieci, budujesz bez namysłu i masz złe doświadczenia. Tutaj, mając szeregowo 1Meg układ działałby co najwyżej jak "dioda Zenera". Obejrzyj ch-kę typowego złącza pn w kierunku zaporowym. Tam pod koniec masz wzrost prądu wstecznego i tyle. Po przebiciu wstecznym złącza CB, gdyby nie zaszło powielanie lawinowe  dostałbyś statyczną stabilizację napięcia właśnie na poziomie maksymalnego napięcia wstecznego i ograniczenie prądu na oporniku (to ważne). Tak działają przecież Zenery, gdzie silne (ale ściśle kontrolowane) domieszkowanie sprawia, że napięcie wsteczne przebicia jest z góry precyzyjnie określone i może zejść nawet do pojedynczych woltów. Dopóki nie przekroczysz prądu (a raczej mocy strat w złączu diody), możesz tak działać dowolnie długo. Tutaj, dla powiedzmy 60V napięcia przebicia Uce(max) bezpieczny prąd dla małego tranzystora to pojedyncze miliampery (szacuję na 200-300mW) więc przy 100V zasilania opornik rzędu 22k jeszcze by niczego nie spalił. Żeby ten prosty układ zaczął generować, potrzebny jest element z ujemną rezystancją. Normalny Zener (na szczęście) tego nie umie, ale wybrane egzemplarze niektórych typów tranzystorów (oraz specjalnie produkowane tzw. diody lawinowe) już tak - i wtedy ma to szansę działać  

[RobertG]

@marek1707 dlaczego w tej konfiguracji nie jest potrzebne wysokie napięcie by zachodziły oscylacje?

Dlaczego emiter i kolektor są odwrócone miejscami? Z tego co wyszukałem, po zamienieniu nóżek, tranzystor wciąż będzie działał tak samo, tylko zmienią się jego parametry (np. spadnie wzmocnienie), bo złącza b-e i b-c są takie same (tylko proporcje domieszek są nieco inne).

 

Edytowano Luty 7, 2020 przez RobertG

[marek1707]

3 godziny temu, RobertG napisał:

dlaczego w tej konfiguracji nie jest potrzebne wysokie napięcie by zachodziły oscylacje?

To pytanie podzielę na dwa, bo traktowane w całości zawiera pewną tezę z którą się nie zgadzam. Napięcie wsteczne złącza BE to zwykle kilka (5-6) woltów - dlatego przebicie następuje przy niskim napięciu. Od biedy możesz złącze BE tranzystora używać jak diodę Zenera. Natomiast moim zdaniem właśnie z powodu "inności" tego złącza w stosunku do CB nie zajdą tu warunki powielania lawinowego -> ujemnej rezystancji -> generacji drgań. Rzecz jasna nie mogę tego wykluczyć, ale jest to mało prawdopodobne. Nie jestem fizykiem ciała stałego tylko prostym elektronikiem.

3 godziny temu, RobertG napisał:

Dlaczego emiter i kolektor są odwrócone miejscami?

No chyba własnie dlatego, że ktoś próbował wykorzystać złącze BE zamiast CE, to musiał odwrócić układ. Złącze które chcesz przebić musi być spolaryzowane z definicji zaporowo, prawda? Nie rozumiem Twojego pytania.

3 godziny temu, RobertG napisał:

Z tego co wyszukałem, po zamienieniu nóżek, tranzystor wciąż będzie działał tak samo, tylko zmienią się jego parametry (np. spadnie wzmocnienie),

No to nie będzie działał tak samo.

3 godziny temu, RobertG napisał:

bo złącza b-e i b-c są takie same

Nie są. Poczytaj więcej i bardziej dokładnie.

Edytowano Luty 7, 2020 przez marek1707