El Transistor de Unijuntura UJT, Ceti Plantel Tonala

El Transistor de Unijuntura UJT

Las características que se presentan en el UJT lo hacen útil en circuitos de aplicación industrial, como son circuitos de tiempo (timers), osciladores, generadores de onda, y circuitos de disparo para SCRs y TRIACs. El UJT es un dispositivo de una sola unión PN, dispone de dos regiones contaminadas y tres terminales externas. Tiene un sólo emisor y dos bases. La representación física del UJT se muestra en la figura 1.

Figura 1.- Representación física y símbolo del UJT

El emisor se dopa fuertemente, mientras que en la región de las bases se deposita una ligera contaminación, bajo estas condiciones, se hace presente una región de resistencia negativa, y aparecen dos estados de funcionamiento bien definidos, correspondientes al estado de bloqueo y al estado de conducción. Para comprender el funcionamiento del dispositivo UJT, se recurre a su circuito equivalente, que se muestra en la figura 2.

Figura 2.- Circuito equivalente del UJT

Las resistencias Rb1 y Rb2 constituyen la resistencia de la barra de silicio, siendo Rbb la suma de las dos resistencias, es decir, la resistencia total:

Rbb = Rb1 + Rb2, siempre se cumple que Rb1  Rb2

A Rbb se le denomina “resistencia interbase”, y es la resistencia óhmica que se presenta en las terminales B1 y B2 cuando no circula ninguna corriente por el emisor. En términos generales el parámetro Rbb es variable entre los valores de 5 k a 10 k. El diodo D es el equivalente a una unión emisor-base, presenta un voltaje umbral desde 0.4 volts hasta 0.7 volts. Si la tensión que se aplica en el emisor del dispositivo UJT, con un valor igual a Vbb, sobre la resistencia Rb1, el punto A, aparece un voltaje que lo determina la ecuación;

Va = Vbb Rb1/Rbb = n Vbb n = Rb1/(Rb1 + Rb2)

En donde “n” se conoce como factor intrínseco, produce una variación que comprende desde 0.5 hasta 0.8, lo cual significa que Rb1 es igual o hasta cuatro veces el valor de Rb2. La tensión Va se conoce como voltaje intrínseco y es la que polariza inversamente al diodo emisor, al no existir una señal en la entrada.

Al aplicarse la tensión Ve en el emisor, el transistor permanece bloqueado hasta tanto no se alcance el voltaje pico Vp, el cual está dado por la siguiente expresión:

Vp = Vd + Va = Vd + n Vbb

Cuando el diodo de emisor entra en conducción, porque la región P está fuertemente contaminada y la región N no, se inyecta huecos a la parte inferior del UJT. La ligera contaminación de esta región proporciona un tiempo de vida largo para los huecos, se produce una trayectoria de conducción entre emisor y la base B1. Al fluir corriente por B1, la resistencia Rb1 disminuye, efectuándose modulación de conductividad. Al disminuir esta resistencia, la tensión Va disminuye y se obtiene una mayor inyección de corriente de emisor. La disminución de tensión y aumento de corriente representa una región de resistencia negativa, se alcanzan valores hasta 100 k para bajos niveles de corriente. En la figura 3 se muestra la curva característica del UJT.

Figura 3.- Curva característica del UJT

Si los niveles de voltaje que se aplican al emisor son menores que Vp, el diodo D se encuentra inversamente polarizado, y circula una corriente menor inversa de juntura. Al hacerse la tensión Ve igual a Vp, el diodo conduce, iniciándose la trayectoria en la curva de la región de resistencia negativa y con una corriente Ip. Por el fenómeno de modulación de conductividad, la corriente empieza a crecer mientras el voltaje disminuye hasta que finalmente se llega a saturación, la resistencia Rb1 se hace constante con valor Rs (aproximadamente 5  - 30 ), a valores bajos de tensión y niveles altos de corriente, se termina la región de resistencia negativa y empieza la región de saturación. Sobre la característica tensión-corriente se destacan tres zonas de trabajo y funcionamiento:

o Región de bloqueo: el diodo se encuentra inversamente polarizado, la corriente Ie es menor que Ip.

o Región de resistencia negativa: los valores de corriente están entre Ip e Iv.

o Región de saturación: en esta región la resistencia es positiva, teniéndose niveles de corriente por encima de Iv.

Estabilización del UJT
Las características más importantes del UJT se resumen en la ecuación:

Vp = Vd + n Vbb

En aplicaciones que utilizan osciladores y circuitos temporizadores no es conveniente tener variaciones en el valor Vp, la exactitud de esos circuitos depende de la invariabilidad de Vp, además, Vd y n son parámetros dependientes de la temperatura, entonces es necesario estudiar su incidencia sobre Vp. Vd disminuye al aumentar la temperatura, esta variación es del orden de -2mV/°C. El valor de n también disminuye, en grado inapreciable con el aumento de temperatura:

n = Rb1/(Rb1 + Rb2) = Rb1/Rbb

El valor de Rbb es dependiente de la temperatura, ya que es la resistencia de un material semiconductor. Su efecto en la tensión Va es despreciable, este valor depende de n y la variación de n es despreciable. Para compensar variaciones en el diodo, se conecta una resistencia R2 externa en serie con Rb2, a la terminal B2 . Bajo estas condiciones se tiene:

Va = Vbb Rb1/(Rb1 + Rb2 + R2)

Va = Vbb Rb1/(Rbb + R2); dividiendo entre Rbb,

Va = n Vbb/(1 + (R2/Rbb))

Si la temperatura baja, Rbb baja, el factor R2/Rbb sube y por consiguiente Va baja. Si la temperatura sube, Rbb sube, el factor R2/Rbb baja y por consiguiente Va sube. Se observa que las variaciones de Vd se compensan con las variaciones de Va, porque ocurren en sentido opuesto, de esta forma se mantiene el valor de Vp. Con un rango de trabajo para la fuente de polarización Vbb comprende entre 10 y 35 volts, se obtiene que R2 varía entre 50  y 1 k. Se determinan por experimentación, los siguientes valores para compensación:

R2 = 100  para trabajo entre -55°C y 25°C

R2 = 400  para trabajo entre 25°C y 100°C

En términos generales se obtiene una buena compensación con R2 = 100.

Impedancia de Carga del UJT

Las tres terminales del UJT se usan para obtener una señal de salida, la conexión que más se utiliza es la terminal de la base B1, entonces se necesita adicionar una resistencia R1 externa como se muestra en la figura 4. El valor de R1 es de valores típicos de 100, la señal que se obtiene se aplica en generadores de pulsos de disparo.

Figura 4.- Resistencias externas al UJT

Aplicaciones del UJT

El oscilador de relajación; Se utiliza en timers y circuitos osciladores. La figura 5 muestra un circuito típico de un UJT, una red Re Ce, las resistencias de carga y compensación R1 y R2, así como las formas de onda que se observa en cada terminal. El circuito trabaja de la siguiente forma: Al encender la alimentación, el condensador Ce se carga a través de Re hasta alcanzar el nivel Vp. En este punto, el UJT entra en conducción la resistencia Rb1 tiende a disminuir hasta un valor cercano a cero, se genera un pulso de corriente que corresponde a la descarga del condensador, esa corriente fluye por R1 y se desarrolla un pulso de voltaje en la terminal B1. Simultáneamente que aparece un pico positivo en B1, aparece otro negativo en B2. Esto sucede porque la caída de tensión en Rb1 provoca una reducción en la resistencia total entre Vbb y tierra, y consecuentemente un incremento en la corriente por R2, se provoca una mayor caída a través de R2 creándose un pico de voltaje negativo en el terminal B2.

Figura 5.- Oscilador de Relajación con UJT

En el terminal de emisor, se desarrolla una señal diente de sierra, la cual no es totalmente lineal debido a la carga exponencial del condensador puesto que este no se carga a una rata constante. Por otro lado, la parte baja de la señal no es exactamente cero voltios. Hay dos razones para que esto ocurra:

o - El voltaje emisor-base B1 jamás alcanza el valor cero, sino el voltaje de valle Vv.

o - Hay siempre alguna caída de voltaje a través de R1, debido a la corriente que fluye a través del UJT.

Asumiendo que el condensador está inicialmente descargado, al aplicarse la tensión de polarización, este trata de cargarse hasta el valor de fuente con una constante de tiempo dada por ReCe. Cuando el voltaje sobre el condensador se hace igual al valor Vp del UJT, éste se dispara, entrando en conducción, aumentando la corriente de emisor y disminuyendo la tensión, o sea que el condensador empieza a descargarse a través de la baja impedancia que ve entre emisor y tierra. La constante de descarga será aproximadamente R'Ce, donde R' es la suma de R1 y la resistencia del diodo. Es claro que la constante de carga es mucho mayor que la de descarga. Cuando el condensador se descarga, entra de nuevo el UJT en la región de bloqueo puesto que la tensión en el terminal de emisor se hace menor que el voltaje Vp. Al iniciarse nuevamente el proceso, se repite el ciclo. Puesto que el circuito anterior es un oscilador a resistencia negativa, es necesario cumplir con la condición general impuesta para este tipo de circuitos, y es que la línea de carga corte la característica en su región de resistencia negativa. La ecuación de la línea de carga está dada por:

Vbb = Re Ie + Ve

Dependiendo del valor de Re, se pueden obtener varias curvas:

-Sea Re = Re1 = valor grande de resistencia

Si Ve = 0 entonces Ie = Vbb/Rmáx

Si Ie = 0 entonces Ve = Vbb

Con estas dos ecuaciones límites se puede trazar la recta de carga. Es claro que si Re1 es elevado el valor de Ie tiende a cero. Bajo estas condiciones dicha línea de carga cortaría la curva característica en la región de bloqueo.

-Sea Re = Re2 = valor bajo de resistencia

Si Ve = 0 entonces Ie = Vbb/Rmín

Si Ie = 0 entonces Ve = Vbb

Con estas dos ecuaciones límites se puede trazar la recta de carga. Es claro que si Re2 es bajo el valor de Ie tiende a ser elevado. Bajo estas condiciones dicha línea de carga cortaría la curva característica en la región de saturación.

-Sea Re = Re3 = un valor medio de resistencia

Si Ve = 0 entonces Ie = Vbb/Re3

Si Ie = 0 entonces Ve = Vbb

Figura 6.- Rectas de carga del UJT

Con estas dos ecuaciones límites se puede trazar la recta de carga. Bajo estas condiciones dicha línea de carga cortaría la curva característica en la región de resistencia negativa. En la figura 6 pueden apreciarse esta serie de situaciones. En términos generales se tendría:

Remín  Re  Remáx

El valor de Remáx debe ser tal que permita obtener el nivel mínimo de corriente, o sea Ip. Por lo tanto la ecuación se transformaría en:

Vbb = Remáx Ip + Vp

Remáx = (Vbb - Vp)/Ip

Por otro lado, el valor de Remín debe ser tal que permita obtener el nivel máximo de corriente, o sea Iv. Por lo tanto la ecuación se transformaría en:

Vbb = Remín Iv + Vv

Remín = (Vbb - Vv)/Iv

En términos generales el valor de Re está comprendido entre 3 k y 3 M, y el condensador varía entre .01 µF y .5 µF. El período de oscilación está dado por la expresión:

T = Re Ce ln (1/(1-n))

Esta ecuación proviene de la expresión de carga del condensador:

Vc(t) = Vf + (Vi - Vf) e(-t/ReCe)

Vc(t) = Vbb (1 - e(-t/ReCe))

en t = T Vc(t) = Vp, reemplazando estos valores:

T = Re Ce ln (Vbb/(Vbb - Vp))

Vp = Vd + n Vbb = n Vbb

T = Re Ce ln (1/(1-n))

Ejemplo
Dado un oscilador de relajación con UJT que trabaja con una relación intrínseca n = .7 y con Re = 100 k y Ce = .5 µF, calcular el período y la frecuencia de trabajo, así como el voltaje Vp de disparo suponiendo una fuente de polarización de 20 voltios.

T = 100 k .5 µF ln (1/(1-.7))

T = 60 ms

f = 1/T = 1/60 =16.6 Hz

Vp = Vd + nVbb = .6 + .7 20 = 14.6 v