Однотранзисторный генератор работает на обратном лавинном пробое B–E

Обратный пробой перехода база–эмиттер позволил NPN-транзистору с плавающей базой работать релаксационным генератором. В эксперименте с 2N2222 конденсатор 1 mF циклически менял напряжение примерно от 10 до 9.1 В с частотой 5.8 Гц и питал короткие импульсы светодиода. Режим держится на гистерезисе лавинной I–V-характеристики, однако энергия разряда и ресурс перехода требуют отдельного контроля.

2N2222 превратили в генератор вспышек на обратном лавинном пробое перехода база–эмиттер. Схема содержит NPN-транзистор в инвертированном включении, светодиод, зарядный резистор 1 кОм и конденсатор 1 mF; вывод базы оставлен плавающим. При питании 14 В опытный образец работал с частотой 5.8 Гц: напряжение на накопительном конденсаторе медленно росло примерно до 10 В, затем за короткий интервал падало до 9.1 В, вызывая вспышку LED.

Механизм определяется формой характеристики B–E-перехода вне паспортного режима. Пока напряжение ниже порога, конденсатор получает заряд через резистор, а ток через транзистор мал. После запуска обратного лавинного пробоя ток резко возрастает. На измеренной I–V-кривой этому соответствует участок отрицательного дифференциального сопротивления: с ростом тока напряжение на переходе уменьшается. Накопленный конденсатор получает путь разряда через LED и транзистор, напряжение проседает до уровня удержания, лавинный ток срывается, после чего начинается следующий зарядный цикл.

Именно разница между напряжениями запуска и удержания формирует гистерезис, необходимый релаксационному генератору. Обычная петля положительной обратной связи здесь отсутствует. Функцию переключающего элемента берёт на себя нелинейная физика перехода и энергия, запасённая в RC-цепи. Такой режим иногда называют reverse-avalanche oscillator или negistor circuit, хотя «negistor» описывает эффект отрицательного дифференциального сопротивления и не является стандартизированным типом компонента.

Конденсатор 1 mF существенно меняет масштаб эксперимента. При 10 В в нём запасается около 50 мДж. Для наблюдаемого перепада с 10 до 9.1 В энергия одного цикла составляет приблизительно 8.6 мДж. Зарядный резистор 1 кОм ограничивает средний ток, поступающий от источника питания, однако во время вспышки он почти не определяет пиковый ток. Импульсный контур образуют конденсатор, LED, лавинный переход и их паразитные сопротивления с индуктивностями. Пиковая нагрузка зависит от ESR конденсатора, динамического сопротивления светодиода, конкретного экземпляра транзистора и монтажа.

Независимый опыт на 2N3904 подтвердил сам эффект на иной RC-цепи: при питании около 14 В, резисторе 100 кОм и конденсаторе 10 нФ также наблюдалась отрицательная дифференциальная область B–E-пробоя и импульс тока порядка 40 мА. Такие числа относятся к конкретной топологии и образцу, поскольку параметры лавинного участка для малосигнальных BJT обычно не нормируются.

Для 2N2222-совместимого DXT2222A обратное напряжение база–эмиттер указано производителем как абсолютный максимум 6 В; напряжение пробоя 6.0 В измеряется лишь при токе эмиттера 100 мкА. Генератор намеренно выводит переход за эту границу и работает при существенно иной динамике тока. Повторяющийся лавинный режим способен менять характеристики перехода и ухудшать стабильность порога. Практическая воспроизводимость требует измерения формы импульса осциллографом, ограничения энергии накопителя и подбора транзисторов по фактической характеристике, а не по одной маркировке корпуса.