Релаксационный генератор с аналогом однопереходного транзистора

Данная схема позволяет получать краткие импульсы - например, вспышки на светодиоде - с периодом изменяемым в широких пределах (времязадающими резистором и конденсатором). В отличие от генератора на NE555, например, здесь почти отсутствует расход энергии на питание дополнительных цепей (сам 555 потребляет от миллиампера и выше). Т.е. среднее потребление может быть доли миллиампера. Кроме того генератор на 555 ограничен по частоте (около 100кГц для обычного NE555 и 3 МГц для версии на полевых транзисторах).

Собственно, схема

Здесь в левой части времязадающая RC-цепь. Конденсатор постепенно заряжается через резистор но при достижении определенного напряжения транзисторная пара открывается "лавинным" образом и разряжает конденсатор за короткое время. Одновременно за счет открытия одного из транзисторов происходит вспышка на светодиоде.

Объяснение работы транзисторной пары

Рассмотрим для понятности немного более строгую схему, без светодиода.

Как заряжается RC-стойка слева, мы понимаем (см конденсаторы). А как она разряжается? Сначала представим, что резистивного делителя справа нет. Два транзистора образуют любопытный элемент с всего двумя "выводами" - эмиттерами транзисторов. Ток между ними (сверху-вниз, в направлении стрелок) мог бы течь, но:

• чтобы он протекал через колектор-эмиттерный (КЭ) переход верхнего транзистора, нужен небольшой ток через база-эмиттерный (БЭ) переход, чтобы этот транзистор приоткрыть; но ток через этот переход не пускает второй транзистор своим КЭ переходом (с ним база верхнего транзистора соединена последовательно);
• у второго транзистора та же проблема - он бы и рад начать пропускать, но ему надо чтобы пошел небольшой хотя бы ток через базу; а этот ток заперт верхним транзистором.

Таким образом транзисторы "взаимно заперли" друг друга, но если бы только какой-то ток (откуда-то) протек хотя бы через один БЭ переход любого из них - они начали бы взаимно открываться, пропуская все больше и больше тока друг в друга - этакий "лавинный" процесс.

Откуда же возьмется этот "изначально открывающий" ток?

Вспомним теперь о наличии резистивного делителя (справа). Допустим, если резисторы равны, потенциал в средней точке равен половине напряжения питания. Заметим что эта точка соединена с базой верхнего транзистора.

А эмиттер того же транзистора соединен со средней точкой RC-цепочки, напряжение в которой растет по мерез заряда конденсатора. Пока напряжение на эмиттере ниже, чем на базе, транзистор конечно закрыт (у БЭ-перехода, как помним, диодная характеристика). Но как только напряжение станет немного больше чем на базе (на величину падения на P-N переходе), ток разумеется потечет. Изначально он потечет через БЭ-переход и нижний из резисторов делителя. Однако этот же ток в базе вызовет приоткрывание верхнего транзистора. Тот начнет пускать часть ток еще и через БЭ переход нижнего транзистора и таким образом они "лавинно" откроются. Т.е. если бы в этот момент резистивный делитель справа исчез, это уже ничего бы не изменило - транзисторы будут пропускать ток пока внешний источник тока не "иссякнет".

В нашем случае внешний источник тока это конденсатор. Он разряжается через транзисторы и напряжение на нем падает. В конце концов оно упадёт настолько что станет меньше чем напряжение PN-перехода (в базе) и напряжение открытого транзистора. Это вызовет резкое захлопывание обоих транзисторов (из-за пропадания тока в базах).

С этого момента конденсатор заряжается вновь и все повторяется.

Реальная схема

В реальной схеме достаточно верхний резистор делителя заменить на светодиод. Конечно напряжение средней точки уже не будет "половинным" но для работы генератора это не важно (конденсатор будет заряжаться до более высокого значения - только и всего). Нижний резистор делителя можно сделать очень большим (чтобы светодиод не светился между импульсами, за счет тока через этот резистор). А можно вообще убрать - со многими транзисторами сопротивление закрытого (нижнего) транзистора будет играть ту же роль.

Мы кроме того для эксперимента взяли один из транзисторов германиевый. Он отличается от кремниевого тем что немного проводит ток даже когда через базу ничего не идет. Верхним транзистором в данной схеме он быть не может (его проводимость будет портить всю затею). Если поставить его нижним то за счет отъёма тока в светодиод и небольшого коэффициента усиления работа возможна.

В нашем случае именно германиевый транзистор был PNP-типа, поэтому их пришлось поменять местами а также "перевернуть" все полярные компоненты (диод, конденсатор) и источник питания.

Кроме того оказалось что лучший результат получается если у германиевого транзистора поменять местами коллектор и эмиттер. Мы помним что это возможно за счет симметричной структуры транзистора, но ведет к ослаблению проводимости и коэффициента усиления. А это нам как раз и нужно.

Период миганий определяется произведением R*C. В случае со 100к резистором и 4.7 мкФ конденсатором он составлял около 1 секунды.