Le transistor à jonction unique (UJT) est un dispositif à semi-conducteur à trois terminaux qui présente des caractéristiques de résistance négative et de commutation, utilisé comme oscillateur de relaxation dans des applications de contrôle de phase.
Le Transistor à Jonction Unique ou UJT est un autre dispositif à état solide à trois terminaux qui peut être utilisé dans des applications de génération d’impulsions de déclenchement et de circuits de temporisation pour commuter et contrôler des thyristors et des triacs dans des applications de contrôle de puissance AC.
Comme les diodes, les transistors à jonction unique sont construits à partir de matériaux semi-conducteurs de type P et N séparés, formant une seule jonction PN au sein du canal principal conducteur de type N du dispositif.
Bien que le Transistor à Jonction Unique porte le nom de transistor, ses caractéristiques de commutation sont très différentes de celles d’un transistor bipolaire ou d’un transistor à effet de champ conventionnel, car il ne peut pas être utilisé pour amplifier un signal mais est plutôt utilisé comme transistor de commutation ON-OFF. Les UJT ont une conductivité unidirectionnelle et des caractéristiques d’impédance négative, agissant davantage comme un diviseur de tension variable lors de la rupture.
Comme les FET à canal N, le UJT se compose d’un seul morceau solide de matériau semi-conducteur de type N formant le canal principal de transport de courant, avec ses deux connexions extérieures marquées comme Base 2 ( B2 ) et Base 1 ( B1 ). La troisième connexion, confusément marquée comme Émetteur ( E ) est située le long du canal. La borne d’émetteur est représentée par une flèche pointant du matériau d’émetteur de type P vers la base de type N.
La jonction rectificatrice p-n de l’émetteur du transistor à jonction unique est formée en fusionnant le matériau de type P dans le canal en silicium de type N. Cependant, des UJT de type P avec un terminal d’émetteur de type N sont également disponibles mais sont peu utilisés.
La jonction de l’émetteur est positionnée le long du canal de manière à être plus proche du terminal B2 que B1. Une flèche est utilisée dans le symbole UJT qui pointe vers la base indiquant que le terminal Émetteur est positif et la barre de silicium est un matériau négatif. Ci-dessous, le symbole, la construction et le circuit équivalent de l’UJT sont présentés.
Symbole et Construction du Transistor à Jonction Unique
Remarquez que le symbole du transistor à jonction unique ressemble très près à celui du transistor à effet de champ à jonction (JFET), sauf qu’il a une flèche courbée représentant l’entrée de l’émetteur ( E ). Bien qu’ils soient similaires en ce qui concerne leurs canaux ohmiques, les JFET et les UJT fonctionnent très différemment et ne doivent pas être confondus.
Alors comment cela fonctionne-t-il ? Nous pouvons voir d’après le circuit équivalent ci-dessus, que le canal de type N se compose essentiellement de deux résistances RB2 et RB1 en série avec une diode équivalente (idéale), D représentant la jonction p-n connectée à leur point central. Cette jonction p-n de l’émetteur est fixée en position le long du canal ohmique lors de la fabrication et ne peut donc pas être modifiée.
La résistance RB1 est donnée entre l’émetteur E et le terminal B1, tandis que la résistance RB2 est donnée entre l’émetteur E et le terminal B2. Comme la position physique de la jonction p-n est plus proche du terminal B2 que B1, la valeur résistive de RB2 sera inférieure à RB1.
La résistance totale de la barre de silicium (sa résistance ohmique) dépendra du niveau de dopage réel du semi-conducteur ainsi que des dimensions physiques du canal en silicium de type N, mais peut être représentée par RBB. Si mesurée avec un ohmmètre, cette résistance statique mesurerait généralement entre environ 4kΩ et 10kΩ pour la plupart des UJT communs tels que le 2N1671, 2N2646 ou le 2N2647.
Ces deux résistances en série produisent un réseau de diviseur de tension entre les deux terminaux de base du transistor à jonction unique, et puisque ce canal s’étend de B2 à B1, lorsque l’on applique une tension à travers le dispositif, le potentiel à n’importe quel point le long du canal sera en proportion de sa position entre les bornes B2 et B1. Le niveau du gradient de tension dépend donc de la quantité de tension d’alimentation.
Lorsqu’il est utilisé dans un circuit, le terminal B1 est connecté à la terre et l’émetteur sert d’entrée au dispositif. Supposons qu’une tension VBB soit appliquée à travers le UJT entre B2 et B1 de manière à ce que B2 soit polarisé positivement par rapport à B1. Avec une entrée d’émetteur à zéro appliquée, la tension développée à travers RB1 (la résistance inférieure) du diviseur de tension résistif peut être calculée comme :
Tension RB1 du Transistor à Jonction Unique
Pour un transistor à jonction unique, le rapport résistif de RB1 à RBB montré ci-dessus est appelé le rapport de maintien intrinsèque et est donné par le symbole grec : η (êta). Les valeurs standards typiques de η varient de 0.5 à 0.8 pour la plupart des UJT communs.
Si une petite tension d’entrée positive, qui est inférieure à la tension développée à travers la résistance, RB1 ( ηVBB ), est maintenant appliquée au terminal d’entrée de l’émetteur, la jonction diode p-n est inversement polarisée, offrant ainsi une impédance très élevée et le dispositif ne conduit pas. Le UJT est commuté “OFF” et aucun courant ne circule.
Cependant, lorsque la tension d’entrée de l’émetteur augmente et devient supérieure à VRB1 (ou ηVBB + 0.7V, où 0.7V équivaut à la chute de tension de la diode p-n), la jonction p-n devient polarizée en avant et le transistor à jonction unique commence à conduire. Le résultat est que le courant d’émetteur, ηIE, circule maintenant de l’émetteur vers la région de base.
L’effet du courant d’émetteur supplémentaire circulant vers la base réduit la portion résistive du canal entre la jonction émettrice et le terminal B1. Cette réduction de la valeur de la résistance RB1 à une valeur très basse signifie que la jonction émettrice devient encore plus polarisée en avant, résultant en un flux de courant plus important. Cet effet entraîne une résistance négative au terminal d’émetteur.
De même, si la tension d’entrée appliquée entre l’émetteur et le terminal B1 diminue à une valeur inférieure à la tension de rupture, la valeur résistive de RB1 augmente à une valeur élevée. Alors le Transistor à Jonction Unique peut être considéré comme un dispositif de rupture de tension.
Ainsi, nous pouvons voir que la résistance présentée par RB1 est variable et dépend de la valeur du courant d’émetteur, IE. Ensuite, la polarisation de la jonction émettrice par rapport à B1 entraîne un flux accru de courant qui réduit la résistance entre l’émetteur E et B1.
En d’autres termes, le flux de courant dans l’émetteur de l’UJT entraîne une diminution de la valeur résistive de RB1 et la chute de tension à travers elle, VRB1 doit également diminuer, permettant ainsi un flux accru de courant qui produit une condition de résistance négative.
Applications du Transistor à Jonction Unique
Maintenant que nous savons comment fonctionne un transistor à jonction unique, à quoi peuvent-ils servir ? L’application la plus courante d’un transistor à jonction unique est en tant que dispositif de déclenchement pour SCR et Triacs, mais d’autres applications UJT incluent générateurs en dents de scie, oscillateurs simples, contrôle de phase et circuits de temporisation. Le plus simple de tous les circuits UJT est l’oscillateur de relaxation produisant des formes d’onde non sinusoïdales.
Dans un circuit typique d’oscillateur de relaxation UJT, le terminal émetteur du transistor à jonction unique est connecté à la jonction d’une résistance en série et d’un condensateur, circuit RC comme illustré ci-dessous.
Oscillateur de Relaxation du Transistor à Jonction Unique
Lorsque la tension (Vs) est d’abord appliquée, le transistor à jonction unique est “OFF” et le condensateur C1 est complètement déchargé mais commence à se charger de manière exponentielle à travers la résistance R3. Comme l’émetteur du UJT est connecté au condensateur, lorsque la tension de charge Vc à travers le condensateur dépasse la valeur de chute de tension de la diode, la jonction p-n se comporte comme une diode normale et devient polarisée en avant, déclenchant le UJT en conduction. Le transistor à jonction unique est “ON”. À ce stade, l’impédance émetteur vers B1 s’effondre alors que l’émetteur entre dans un état de saturation à faible impédance avec le flux du courant d’émetteur à travers R1.
Comme la valeur ohmique de la résistance R1 est très basse, le condensateur se décharge rapidement à travers le UJT et une impulsion de tension à montée rapide apparaît à travers R1. De plus, parce que le condensateur se décharge plus rapidement à travers le UJT qu’il ne se charge à travers la résistance R3, le temps de décharge est beaucoup moins que le temps de charge, car le condensateur se décharge à travers le UJT à faible résistance.
Lorsque la tension à travers le condensateur diminue en dessous de la limite de maintien de la jonction p-n ( VOFF ), le UJT s’éteint “OFF” et aucun courant ne circule vers la jonction de l’émetteur, donc encore une fois le condensateur se charge à travers la résistance R3 et ce processus de charge et de décharge entre VON et VOFF se répète sans cesse tant qu’il y a une tension d’alimentation, Vs appliquée.
Formes d’Onde de l’Oscillateur UJT
Alors nous pouvons voir que l’oscillateur à jonction unique commute continuellement “ON” et “OFF” sans aucun retour d’information. La fréquence de fonctionnement de l’oscillateur est directement affectée par la valeur de la résistance de charge R3, en série avec le condensateur C1, et la valeur de η. La forme d’impulsion de sortie générée à partir du terminal Base1 (B1) est celle d’une onde en dents de scie et pour réguler la période de temps, il suffit de modifier la valeur ohmique de la résistance R3, puisqu’elle définit la constante de temps RC pour la charge du condensateur.
La période de temps T de la forme d’onde en dents de scie sera donnée comme le temps de charge plus le temps de décharge du condensateur. Comme le temps de décharge, τ1, est généralement très court par rapport au temps de charge plus long τ2, la période d’oscillation est plus ou moins équivalente à T ≅ τ2. La fréquence d’oscillation est donc donnée par ƒ = 1/T.
Exemple d’Oscillateur UJT No1
La fiche technique d’un transistor à jonction unique 2N2646 donne le rapport de maintien intrinsèque η comme étant 0,65. Si un condensateur de 100 nF est utilisé pour générer les impulsions de temporisation, calculez la résistance de temporisation requise pour produire une fréquence d’oscillation de 100 Hz.
1. La période de temporisation est donnée comme :
2. La valeur de la résistance de temporisation, R3, est calculée comme :
Ainsi, la valeur de la résistance de charge requise dans ce simple exemple est calculée à 95.3 kΩ à la valeur préférée la plus proche. Cependant, certaines conditions sont nécessaires pour que l’oscillateur de relaxation UJT fonctionne correctement, car la valeur résistive de R3 peut être trop grande ou trop petite.
Par exemple, si la valeur de R3 était trop grande (en mégohms), le condensateur pourrait ne pas se charger suffisamment pour déclencher l’émetteur du transistor à jonction unique en conduction mais doit également être suffisamment grande pour s’assurer que le UJT s’éteint “OFF” lorsque le condensateur s’est déchargé en dessous de la tension de déclenchement inférieure.
Inversement, si la valeur de R3 était trop petite (quelques centaines d’ohms), une fois déclenché, le courant circulant vers le terminal de l’émetteur peut être suffisamment important pour conduire le dispositif dans sa région de saturation, empêchant ainsi qu’il ne s’éteigne complètement. Dans tous les cas, le circuit de l’oscillateur à jonction unique échouerait à osciller.
Circuit de Contrôle de Vitesse UJT
Une application typique du circuit de transistor à jonction unique ci-dessus est de générer une série d’impulsions pour activer et contrôler un thyristor. En utilisant le UJT comme circuit de déclenchement de contrôle de phase en conjonction avec un SCR ou un Triac, nous pouvons ajuster la vitesse d’un moteur AC ou DC universel comme indiqué.
Contrôle de Vitesse du Transistor à Jonction Unique
Utilisant le circuit ci-dessus, nous pouvons contrôler la vitesse d’un moteur en série universel (ou tout type de charge que nous voulons, chauffages, lampes, etc.) en régulant le courant circulant à travers le SCR. Pour contrôler la vitesse des moteurs, il suffit de changer la fréquence de l’impulsion en dents de scie, ce qui est réalisé en variant la valeur du potentiomètre.
Résumé du Transistor à Jonction Unique
Nous avons vu qu’un Transistor à Jonction Unique ou UJT pour faire court, est un dispositif semi-conducteur électronique qui a seulement une jonction p-n dans un canal ohmique légèrement dopé de type N (ou de type P). Le UJT a trois terminaux, l’un étant désigné Émetteur (E) et deux Bases (B1 et B2).
Deux contacts ohmiques B1 et B2 sont attachés aux deux extrémités du canal semi-conducteur, avec la résistance entre B1 et B2, lorsque l’émetteur est déconnecté, étant appelée la résistance interbase, RBB. Si mesurée avec un ohmmètre, cette résistance statique mesurerait généralement entre environ 4kΩ et 10kΩ pour la plupart des UJT communs.
Le rapport de RB1 à RBB est appelé rapport de maintien intrinsèque, et est donné par le symbole grec : η (êta). Les valeurs standard typiques de η varient de 0,5 à 0,8 pour la plupart des UJT communs.
Le transistor à jonction unique est un dispositif de déclenchement à état solide qui peut être utilisé dans divers circuits et applications, allant de l’activation de thyristors et triacs à son utilisation dans des générateurs en dents de scie pour des circuits de contrôle de phase. La caractéristique de résistance négative de l’UJT le rend également très utile en tant qu’oscillateur de relaxation simple.
Lorsqu’il est connecté en tant qu’oscillateur de relaxation, il peut osciller indépendamment sans circuit résonant ou réseau de rétroaction RC complexe. Connecté de cette manière, le transistor à jonction unique est capable de générer une série d’impulsions de durée variable simplement en variant les valeurs d’un seul condensateur, (C) ou résistance, (R).
Les transistors à jonction unique couramment disponibles incluent les 2N1671, 2N2646, 2N2647, etc., le 2N2646 étant le UJT le plus populaire utilisé dans les générateurs d’impulsions et en dents de scie et pour les circuits de retard. D’autres types de dispositifs de transistors à jonction unique disponibles sont appelés UJTs programmables, dont les paramètres de commutation peuvent être réglés par des résistances externes. Les UJTs Programmables les plus communs sont les 2N6027 et 2N6028.