مولد ديود النفق. بعض دوائر الصمام الثنائي النفقي
تاريخيًا، ظهرت الثنائيات النفقية في وقت متأخر جدًا عن ظهور الترانزستورات والمصابيح. أدت الأبعاد والوزن الصغير والموثوقية العالية والفعالية من حيث التكلفة إلى التوسع السريع في نطاق تطبيقها. خاصية الجهد الحالي لنوع الصمام الثنائي النفقي ن(الشكل 7). لذلك، فإن دائرة المذبذب بسيطة: يتم توصيل دائرة تيار متردد متوازية بالصمام الثنائي (الشكل 8.44 ب)، ويتم تحديد وضع التيار المستمر بحيث تكون نقطة التشغيل O في القسم المتساقط من الخاصية (الشكل 7).
الشكل 7. خاصية التيار والجهد ودائرة المولد باستخدام صمام ثنائي النفق
يجب ضمان وضع التيار المستمر مع مراعاة المقاومة الداخلية للمصدر ر أنا. للقيام بذلك، من الضروري حل نظام من معادلتين:
يظهر الحل الرسومي للنظام في الشكل 8.44 أ.
دعونا ننظر في حالتين.
في الحالة الأولى، مع منحدر حاد مميز | س(ش 0)| > 1/ر أنا، هناك ثلاث حالات محتملة تلبي معادلات النظام - النقاط A، O، B. يُظهر التحليل، مع الأخذ في الاعتبار سعة الصمام الثنائي نفسه، أن النقطتين A و B فقط، الموجودتين في الأقسام المتزايدة من الخاصية، مستقرة. إذا كانت نقطة الراحة (النقطة O) موجودة في القسم المميز بمنحدر سلبي، فستكون حالة الدائرة غير مستقرة وستتحول نقطة التشغيل تلقائيًا إلى أحد المواضع المتطرفة (إلى النقطة A أو النقطة B).
وفي الحالة الثانية مع منحدر حاد مميز | س(ش 0)| < 1/ر أنا، هناك حالة واحدة فقط تلبي المعادلات - النقطة O. وتبين أنها مستقرة وبالتالي يمكن ضبط نقطة التشغيل عند أي قسم من خاصية الجهد الحالي مع ميل سلبي، وبالتالي حالة الطور الذاتي الإثارة راضية. سيتم استيفاء شرط السعة للإثارة الذاتية إذا | س(ش 0)| > زاه أين ز E هي موصلية الدائرة عند نقاط اتصال الصمام الثنائي.
تردد التذبذب هو
ويمكن تغييرها باستخدام معك. تتغير سعة التذبذبات عن طريق تغيير النقطة التي يتصل عندها الصمام الثنائي بالدائرة التذبذبية. إذا كانت لفائف ل 1 و ل 2 غير متصلين بمجال مغناطيسي واحد، فإن معامل تبديل الدائرة يساوي
إذا كانت لفائف ل 1 و ل 2 تشكل ملفا واحدا بمجال مغناطيسي مشترك ثم يتم توصيل الدايود بالفرع الحثى بمعامل تبديل يساوي
أين ن 1 و ن 2- عدد اللفات في أجزاء الملف المبينة في الرسم التخطيطي ل 1 و ل 2 .
حجب القدرة معيتم اختيار B من الشرط
مزايا المخطط:
القدرة على العمل في نطاق ترددي واسع جدًا (من بضعة كيلو هرتز إلى عشرات جيجاهيرتز)؛
استقرار عال للمعلمات عندما تتغير درجة الحرارة على نطاق واسع؛
مستوى منخفض من الضوضاء الخاصة.
انخفاض استهلاك الطاقة من مصادر الطاقة.
عمر خدمة طويل
حساسية منخفضة للإشعاع.
عيب الدائرة هو انخفاض طاقة الخرج، والذي يرجع إلى فترات زمنية صغيرة من التيارات والفولتية داخل الجزء المتساقط من الخاصية (مع ميل سلبي). على سبيل المثال، مولد يعتمد على صمام ثنائي نفقي واحد بتيار يصل إلى 10 مللي أمبير يوفر طاقة لا تتجاوز بضعة ملي واط. للحصول على المزيد من الطاقة، من الضروري استخدام الثنائيات ذات التيارات الذروة العالية.
الصمام الثنائي النفقي هو صمام ثنائي خاص تختلف خصائصه عن خصائص أي صمام ثنائي عادي أو صمام ثنائي زينر.
يعتبر كل من الدايود العادي وثنائي الزينر موصلين جيدين للغاية عندما يكونان متحيزين للأمام، لكن لا يوصل أي منهما جيدًا عندما يكون متحيزًا عكسيًا (باستثناء منطقة الانهيار). لكن مادة الصمام الثنائي النفقي تحتوي على إضافات بحجم أكبر بكثير من الصمام الثنائي التقليدي، كما أن وصلة PN الخاصة بها ضيقة جدًا. يقوم الصمام الثنائي النفقي، نظرًا لاحتوائه على عدد كبير من المواد المضافة ووصلة P-N ضيقة جدًا، بتوصيل التيار بشكل جيد للغاية في كلا الاتجاهين.
مبدأ تشغيل الصمام الثنائي النفقي
إن الإمكانات المطلوبة لتسبب توصيل الصمام الثنائي النفقي، سواء في وضع الانحياز الأمامي أو العكسي، صغيرة جدًا، عادةً في نطاق الميليفولت. ولهذا السبب تُعرف الثنائيات النفقية بالأجهزة منخفضة المقاومة. إنهم يعارضون حركة التيار في الدائرة بشكل ضعيف جدًا.
الميزة الأكثر تميزًا في الثنائيات النفقية هي نسبة الجهد إلى التيار عندما تكون متحيزة للأمام. عندما يكون الصمام الثنائي النفقي متحيزًا للأمام (من النقطة A إلى النقطة B على الرسم البياني) مع زيادة الجهد، يزداد التيار أيضًا إلى مقدار معين. بمجرد الوصول إلى هذه القيمة، تؤدي الزيادة الإضافية في جهد الانحياز الأمامي إلى انخفاض التيار إلى أدنى قيمة (من النقطة B إلى النقطة C). في المنطقة الواقعة بين الحد الأقصى والحد الأدنى لتدفقات التيار على الرسم البياني، يتمتع صمام ثنائي النفق بمقاومة سلبية. في هذه المنطقة ذات المقاومة السلبية، يتناقص التيار المتدفق عبر الصمام الثنائي النفقي فعليًا مع زيادة الجهد. ويحدث العكس تمامًا من العلاقة المعتادة بين الجهد والتيار. ومع ذلك، عندما يزداد الجهد بعد النقطة C، يُظهر هذا الجهاز العلاقة المعتادة بين الجهد والتيار.
في ظل الظروف العادية، تعمل الثنائيات النفقية في منطقة مقاومتها السلبية. في هذه المنطقة، يؤدي الانخفاض الطفيف في الجهد إلى تشغيل الجهاز، والزيادة الطفيفة تؤدي إلى إيقاف تشغيله. كمفتاح فريد من نوعه، يمكن استخدام الصمام الثنائي النفقي إما كمولد أو كمفتاح عالي السرعة: ميزة معينة للجهاز، وهي المقاومة المنخفضة، تسمح لك بتغيير المقاومة الداخلية على الفور تقريبًا. يمكن أيضًا استخدام الثنائيات النفقية كمضخمات، حيث تؤدي التغيرات التصاعدية في الجهد المطبق إلى تغيرات أكبر نسبيًا في التيار في الدائرة.
يمكن فهم مزايا وعيوب الثنائيات النفقية مقارنة بالأنابيب المفرغة والترانزستورات بسهولة أكبر باستخدام أمثلة دوائر محددة.
المشكلة الأولى التي يجب حلها عند بناء أي دائرة هي تحديد نقطة التشغيل للتيار المباشر. على النحو التالي من شكل خاصية الجهد الحالي (الشكل 1) لتعيين نقطة التشغيل بشكل لا لبس فيه في قسم السقوط، من الضروري ضبط انحياز ثابت على الصمام الثنائي النفقي من مصدر الجهد. وهذا يعني أن مقاومة التيار المستمر (بما في ذلك المقاومة الداخلية لمصدر التحيز) المتصلة على التوالي مع صمام ثنائي النفق يجب أن تكون أقل من المقاومة التفاضلية لثنائي النفق عند نقطة التشغيل 2. وتتوافق هذه الحالة مع خط التحميل R 1.
أرز. 1. أوضاع تشغيل مختلفة لصمام ثنائي النفق عندما تتغير مقاومة الحمل.
نظرًا لأن القيمة المطلقة للمقاومة التفاضلية عند نقطة التشغيل هي عادة وحدات أو عشرات الأوم، فإن المقاومة الداخلية لمصدر التحيز الثابت يجب أن تكون على أي حال أصغر من حيث الحجم، أي أعشار أو وحدات أوم. في هذه الحالة، يجب أن يكون جهد المصدر E 100-200 مللي أمبير. من السهل حساب أن الطاقة P = I0U0 التي يستهلكها الصمام الثنائي النفقي من بطارية التحيز عند I0 = 5 mana U0 = 0.1 V هي 500 μW. وتبين أن هذه الطاقة أقل بحوالي 10 مرات من الطاقة المطلوبة لتشغيل دائرة ترانزستور مماثلة، وأقل بعدة آلاف المرات من الطاقة التي يستهلكها الأنبوب المفرغ.
ومع ذلك، في الوقت الحاضر، لا يمكن استخدام هذه الميزة من الثنائيات النفقية بشكل كامل، حيث أن العناصر القياسية ذات الجهد 1.5-2.2 فولت تستخدم عادةً لتزويد الدوائر بالطاقة باستخدام الثنائيات النفقية، مما يؤدي إلى إطفاء الجهد الزائد عند مقاومة الصابورة. ومن الواضح أنه في هذه الحالة ستكون الطاقة المستهلكة من مصدر الطاقة أكبر بكثير.
في التين. يوضح الشكل 2 دائرة نموذجية لتزويد الصمام الثنائي النفقي بالطاقة TD من مصدر بجهد E = 1.5 V.
أرز. 2. دائرة إمداد الطاقة لصمام ثنائي النفق.
إذا تم اختيار المقاومة R 1 أقل بكثير من |R| ومع معرفة U 0، يتم إيجاد قيمة مقاومة الصابورة R b حسب الصيغة التالية:
على سبيل المثال، إذا كانت E = 1.5 V، وU 0 = 0.1 V، وR 1 = 1 أوم، فإن R b = 14 أوم. في هذه الحالة، سيكون التيار المستهلك من البطارية مساوياً لـ 
، أي 100 مللي أمبير، والطاقة المستهلكة P=IE=150 ميجاوات. وهكذا أدى استخدام مصدر «الجهد العالي» إلى زيادة الطاقة بمقدار 300 ضعف!
إذا كانت مقاومة التيار المباشر المتصلة على التوالي مع الصمام الثنائي أكبر بكثير من مقاومتها التفاضلية في القسم المتساقط من الخاصية، فإن خط الحمل سوف يتوافق مع الخط المستقيم R2 في الشكل. 1. في هذه الحالة، يتقاطع الخط المستقيم R2 مع خاصية الجهد الحالي عند النقاط 1 و 2 و 3. في نظرية التذبذبات، ثبت أن النقطتين 1 و 3 فقط ستتوافقان مع مواقع التوازن المستقرة، وستكون النقطة 2 غير مستقر. وهذا يعني أن نقطة التشغيل في وقت معين يمكن أن تتوافق مع الجهد عبر الصمام الثنائي النفقي إما U" أو U" (الشكل 1). وبالتالي، إذا كان للمصدر مقاومة داخلية R2≥|R|، فمن المستحيل ضبط نقطة التشغيل على الجزء المتساقط من الخاصية. يتم استخدام وضع الطاقة هذا عند إنشاء دوائر نابضة. يتم استخدام الوضع المقابل لتحديد نقطة التشغيل على الجزء الساقط من الخاصية (R1≥|R|) في دوائر مكبرات الصوت ومولدات التذبذب التوافقي.
مخططات مولدات التذبذب التوافقي. سنبدأ مقدمتنا لاستخدام الثنائيات النفقية من خلال النظر في دوائر مولدات التذبذب التوافقي، حيث تبين أن بنائها هو الأبسط والأكثر قابلية للفهم.
كما أصبح واضحًا للقارئ، فإن الفرق الرئيسي بين الصمام الثنائي النفقي والأنابيب المفرغة والترانزستورات من وجهة نظر استخدامها في الدوائر الراديوية يعود إلى حقيقة أن الصمام الثنائي النفقي هو جهاز ذو طرفين، أي أنه يحتوي على محطتي إخراج فقط. في الأنبوب أو الترانزستور الإلكتروني، وهو ثلاثي الأطراف، يكون تضخيم الإشارة ممكنًا فقط في اتجاه واحد (الشبكة - الأنود أو القاعدة - المجمع) ويستحيل في الاتجاه المعاكس. هذه الأجهزة أحادية الاتجاه. لا يحتوي الصمام الثنائي النفقي على مدخلات ومخرجات منفصلة، وبالتالي فهو غير اتجاهي.
يؤدي الظرف الأخير إلى مضاعفات خطيرة للغاية عند إنشاء دوائر تضخيم ونبض متعددة المراحل، حيث يكون من الضروري إجراء نقل إشارة اتجاهي من الإدخال إلى الإخراج. يوجد دائمًا في دوائر أي مولدات محطتي إخراج فقط يتم إزالة الإشارة منهما، وبالتالي فإن الميزة المحددة لصمام الثنائي النفقي في هذه الحالة ليست عيبًا.
تظهر أبسط دائرة لمولد التذبذب التوافقي في الشكل. 3. الدائرة المكافئة لهذا المولد تتوافق مع الدائرة الدائرة المكونة من البطارية B والمقاومات R 1 و R b والسعة C توفر التحيز الثابت الضروري على الصمام الثنائي TD. على عكس الرسم البياني في الشكل. 2، تتم إضافة مكثف الحظر C 1 إلى دائرة التحيز، ويجب اختيار السعة من هذه الاعتبارات بحيث تكون مقاومتها عند تردد التشغيل أقل بحوالي 10 مرات من المقاومة Ri. ولذلك، يجب حساب سعة هذا المكثف باستخدام الصيغة التالية:
حيث C هي μF، وf هي هرتز، وR 1 هي أوم.
الدائرة التذبذبية في الشكل 3 يتكون من سعة الصمام الثنائي C والحث L ومكثف الضبط C 2. يتم تحديد تردد التشغيل بالصيغة المعروفة:
تعمل المقاومة Rн بمثابة الحمل الذي يجب أن يعمل عليه المولد.
أرز. 3. مخطط مولد التذبذب التوافقي.
إذا كان من الضروري بناء مولد بمحتوى منخفض من التوافقيات، فمن الضروري ألا "يمتد" سعة التذبذبات A إلى ما هو أبعد من الجزء الخطي من الخاصية. هذا القسم يساوي تقريبًا ±0.1 U 0 . ولذلك، فإن سعة التذبذب لثنائيات الجرمانيوم عادة ما تكون 2-10 مللي فولت.
من الممكن ضمان سعة صغيرة بما فيه الكفاية فقط إذا كانت مقاومة الصمام الثنائي عند نقطة التشغيل تساوي تقريبًا التوصيل الموازي لمقاومة الحمل Rн والدائرة Req. نظرًا لأن الدائرة ذات عامل الجودة المتوسط، كما رأينا بالفعل، تحتوي على Req≈105 أوم، فإن هذا الشرط عمليًا يعادل |R|=Rн. في هذه الحالة، يتم أخذ القدرة التذبذبية في الحمل للقيم النموذجية |R|=20 أوم وA=5 mV، والقدرة P=1.2 μW.
إذا كانت التشوهات غير الخطية ليست كبيرة، فيمكننا أن نفترض أن سعة التذبذبات هي U 2 -U 1 . في هذه الحالة، ستكون الطاقة الناتجة لثنائيات الجرمانيوم مساوية لـ
في نطاقات الموجات المترية (VHF) والميكروويف، يظل مبدأ بناء دوائر المولدات كما هو، فقط بدلاً من الدوائر ذات العناصر المجمعة C وL، يتم استخدام الأنظمة الموزعة مثل الخطوط أو الرنانات الحجمية.
وفقًا للبيانات الأجنبية، فإن الحد الأعلى لتردد التوليد الذي تم تحقيقه حاليًا يتجاوز قليلاً 100 جيجا هرتز (3 مم). الطاقة الناتجة هي عدة ميكرووات.
مضخمات الصمام الثنائي النفقي.يظهر الشكل أبسط دائرة لمضخم النطاق العريض المعتمد على الصمام الثنائي النفقي. 4، أ، وفي الشكل. يُظهر الشكل 4 ب دائرته المكافئة. مبدأ تشغيل مكبر الصوت هو كما يلي. لنفترض أن المقاومة الداخلية للمولد Rg تبين أنها أكبر بكثير من مقاومة الحمل Rn، ثم في الدائرة المكونة من اتصال متوازي Rn وصمام ثنائي النفق TD، يمكن أن يتدفق تيار كبير بشكل تعسفي إذا كان Rn يميل إلى | ص|. بمعنى آخر، المقاومة السلبية |R| يمكن اختياره بطريقة تعوض بشكل كامل تقريبًا عن الخسائر الناجمة عن الحمل Rн. وبالتالي، يمكن أن تكون الطاقة الناتجة للحمل أكبر بعدة مرات من الطاقة المأخوذة من المولد.
في الحالة التي تكون فيها المقاومة Rg متناسبة مع Rн، يجب اختيار الصمام الثنائي بحيث تكون مقاومته التفاضلية بالقيمة المطلقة أكبر قليلاً من
حقيقة المقاومة |R| يجب أن يكون دائمًا أكبر قليلاً من Rн أو Rp، نظرًا لحقيقة أنه في ظل هذه الحالة فقط سيعمل مكبر الصوت بثبات، أي أنه سيكون من الممكن ضبط نقطة التشغيل "بثبات" على القسم المتساقط من الخاصية (النقطة 2 في رسم بياني 1).
على النحو التالي من الشكل. 4، وأطراف إخراج المولد مشتركة مع أطراف إخراج مكبر الصوت. كما هو مذكور أعلاه، فإن هذا الظرف يجعل من الصعب بناء مكبرات صوت متعددة المراحل باستخدام الثنائيات النفقية. لا توجد حتى الآن في النطاقات الإذاعية طرق فعالة بما فيه الكفاية "لفصل" سلسلة واحدة عن الأخرى. ولذلك، في هذه الترددات، عادة ما تستخدم مكبرات الصوت أحادية المرحلة. في نطاق الميكروويف، يتم استخدام قارنات التوصيل الاتجاهية من الفريت كعناصر فصل - أجهزة تداول تسمح لك "بتوجيه" التذبذبات الكهربائية في اتجاه واحد فقط، وبالتالي فصل المدخلات عن المخرجات.
أرز. 4. الدائرة الرئيسية (أ)، المكافئة (ب) لمضخم النطاق العريض.
تجدر الإشارة إلى أن استخدام مضخمات الصمام الثنائي النفقي في نطاق تردد البث ليس واعدًا جدًا. في هذا النطاق، يُنصح باستخدام الترانزستورات التي تتمتع بخصائص تضخيم جيدة إلى حد ما وتجعل من الممكن إنشاء مكبرات صوت مستقرة متعددة المراحل، مع استهلاك نفس الطاقة تقريبًا من مصادر الطاقة مثل الثنائيات النفقية.
نظرًا لأن مكبرات الصوت وثنائيات النفق لا تحتوي على مدخلات ومخرجات منفصلة، فإن تحديد الكسب لها خصائصه الخاصة. في هذه الحالة، يُفهم كسب الطاقة على أنه نسبة الطاقة في الحمل عندما يكون الصمام الثنائي قيد التشغيل وإيقاف التشغيل.
وبالتالي، يوضح هذا المعامل مقدار الطاقة التي "يساهم بها" الصمام الثنائي النفقي في الحمل مقارنةً بدائرة سلبية مكونة من المقاومتين Rg وRn. ولذلك، فإنه عادة ما يسمى معامل كسب الإدراج Kv. لأبسط دائرة في الشكل. 4، يمكن حساب قيمة Kv عند الترددات المنخفضة باستخدام الصيغة التالية:
عندما |R|=Rп يذهب الربح إلى ما لا نهاية. وهذا يعني أن الدائرة تصبح غير مستقرة. ولذلك، يتم اختيار Rп دائمًا بدرجة أقل قليلًا من |R|.
الغالبية العظمى من مكبرات الصوت ذات الصمام الثنائي النفقي هي مكبرات صوت من النوع الرنان. في هذه الحالة، يتم تبديل الحث L بالتوازي مع مقاومة الحمل، والتي تشكل مع سعة الصمام الثنائي دائرة رنين. في المظهر، لا تختلف دائرة مضخم الرنين عن دائرة المولد الموضحة في الشكل. 10. الفرق بينهما يتلخص في حقيقة أنه عند تردد الرنين في دائرة مكبر الصوت لا يتم استيفاء شروط الإثارة الذاتية، بينما في دائرة المولد هذا الشرط ضروري. في دائرة مكبر الصوت، عند ترددات أخرى غير تردد الرنين، تقوم الدائرة بتحويل الحمل ويقلل الكسب.
من الخصائص المهمة لأي عنصر تضخيم هو عامل الجودة الخاص به، والذي يُعرف بأنه حاصل ضرب عرض النطاق الترددي وكسب الجهد. بالنسبة لأنابيب الإلكترون، من المعروف أن هذه القيمة تساوي 
بالنسبة لثنائيات النفق، كما هو موضح بسهولة، كسب الجهد K U = √Kv. يتم التعبير عن عامل جودة الصمام الثنائي النفقي بالصيغة التالية:
عند قيم |R|=20 أوم وC=10 pf، يكون عامل الجودة Δf/Ku≈800 MHz. وهذا يعني أنه يمكن بناء مكبر للصوت بعرض نطاق 40 ميجاهرتز وكسب Ki = 20 (Kv = 400) باستخدام صمام ثنائي نفقي تقليدي. لا يمكن الوصول إلى القيم المحددة على الإطلاق بالنسبة لمضخم أنبوبي أحادي المرحلة، نظرًا لأن أفضل عامل جودة للأنابيب الإلكترونية الحديثة يبلغ حوالي 200 ميجاهرتز.
تتنوع تصميمات مكبرات الصوت الحديثة عالية التردد المعتمدة على الثنائيات النفقية بشكل كبير. تعتمد أبعادها ووزنها بشكل كبير على تردد التشغيل، الذي يحدد حجم الدوائر التذبذبية الموزعة وعناصر الضبط.
تعمل مضخمات الصمام الثنائي النفقي الحديثة على ترددات تصل إلى عدة عشرات من الجيجاهيرتز (μ1 سم) مع كسب Ku=10 3 -10 4 (أي 30-40 ديسيبل).
دوائر نبضية تعتمد على الثنائيات النفقية.يمكن تقسيم هذه الدوائر إلى ثلاثة أنواع رئيسية: الهزازات المتعددة، والهزازات الأحادية (الهزازات المتعددة أثناء النوم)، والنعال. غالبًا ما يطلق على النوعين الأخيرين من الدوائر اسم دوائر الزناد لأنها تعمل فقط عند وجود مشغل خارجي. تظهر أبسط دوائر الزناد باستخدام صمام ثنائي النفق في الشكل. 5.
أرز. 5. دوائر الزناد المعتمدة على الثنائيات النفقية، أ - دائرة الزناد؛ ب - دائرة هزازة واحدة.
في التين. يوضح الشكل 5 أ دائرة الزناد، ومبدأ تشغيل هذه الدائرة هو كما يلي. إذا تم اختيار المقاومة في دائرة الطاقة R2 لتكون كبيرة جدًا، بحيث يتم استيفاء الشرط R 2 ≥|R|، فإن خط الحمل، كما هو موضح في الشكل. 1 سوف يتوافق مع الخط المستقيم R 2. لذلك، سيكون الدايود إما عند الجهد U" أو عند الجهد U". لا يمكن أن يكون هناك أي موقف توازن مستقر آخر.
لنفترض أن الموضع الأولي هو النقطة 1. إذا كان الآن عبر المقاومة Rг≥|R| قم بتطبيق نبضة من مولد خارجي على الصمام الثنائي، ثم يمكن أن "تتحرك" نقطة التشغيل من الموضع 1 إلى الموضع 3. ولن يحدث هذا إلا إذا كانت سعة تيار نبض الزناد I 1 =u/Rg أكبر من الفرق Imax -أنا 2 ( الشكل 1).
بعد "انتقال" الدائرة إلى موضع توازن آخر (النقطة 3 في الشكل 1)، لكي تعمل مرة أخرى، من الضروري تطبيق نبضة ذات قطبية سلبية بسعة أكبر من I 3 -Imin. من خلال تطبيق سلسلة من النبضات متعددة الأقطاب على الدائرة (الشكل 5 أ)، من الممكن الحصول على تذبذبات خرج بسعة U"-U"، قريبة الشكل من المستطيل.
يتم تحويل الدائرة من موضع توازن إلى آخر خلال فترة زمنية قصيرة جدًا، تتناسب مع |R|C. هذه المرة تتوافق مع مدة حواف نبضات الخرج.
الزناد هو العنصر الرئيسي في أي جهاز كمبيوتر إلكتروني. كلما زادت سرعة تشغيلها، زادت العمليات الحسابية التي يمكن أن تقوم بها هذه الآلة لكل وحدة زمنية. تعمل مشغلات الصمام الثنائي النفقي في وقت يبلغ حوالي 10 -9 -10 -8 ثانية، وبالتالي، فهي واعدة للغاية لأجهزة الكمبيوتر عالية السرعة.
باستخدام الزناد، من السهل جدًا توليد نبضات مستطيلة من الجهد الجيبي. للقيام بذلك، بدلاً من النبضات متعددة الأقطاب، يجب تطبيق جهد توافقي على الإدخال. سيكون خرج الدائرة عبارة عن سلسلة من النبضات المستطيلة مع تردد إشارة الدخل. تعمل الثنائيات النفقية الحديثة بشكل موثوق في هذا الوضع حتى ترددات تصل إلى عدة عشرات من الميغاهيرتز.
يظهر في الشكل نوع آخر من دوائر الزناد - هزاز واحد. 5 ب. في هذه الحالة، يتم تحديد جهد مصدر الانحياز E1 والمقاومة R" 2 أو R" 2 بحيث يتقاطع خط الحمل مع خاصية جهد التيار للديود عند نقطة واحدة فقط على أي من فروعه الصاعدة (الشكل 1). 6). إذا كانت نقطة التشغيل الأولية تتوافق مع الموضع 1، فعندئذ تحت تأثير نبض تيار إيجابي خارجي، سيتم "نقل" الدائرة من منطقة النقطة 3 إلى قسم تصاعدي آخر من الخاصية وستبقى هناك حتى الإشارة الخارجية تم حذفه.
أرز. 6. أوضاع التشغيل المختلفة للهزاز الأحادي.
بعد إزالة الإشارة الخارجية، لن تعود الدائرة إلى حالتها الأصلية على الفور، ولكن بعد مرور بعض الوقت، يتم تحديدها بواسطة المقاومات R" 2، Rg ومعلمات الصمام الثنائي. إذا تم تحديد نقطة التشغيل عند النقطة 3 (الشكل 1). 1) لكي تعمل الدائرة فمن الضروري تطبيق سلسلة من النبضات السلبية.
وبالتالي، عند إخراج اللقطة الواحدة، من الممكن الحصول على سلسلة من النبضات المستطيلة ذات مدة معايرة لا تعتمد على شكل ومدة إشارة الدخل.
في دائرة الزناد المذكورة أعلاه على صمام ثنائي نفقي واحد (الشكل 5 أ)، يمكن أن تختلف شروط البدء من النقطة 1 إلى النقطة 3 بشكل كبير عن شروط البدء من النقطة 3 إلى النقطة 1. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن خاصية الجهد الحالي في منطقة Imax و Imin غير متماثلة، وبالتالي، اعتمادًا على اتجاه التبديل، قد تكون سعة إشارة الزناد المطلوبة لتشغيل الدائرة مختلفة. وبما أن إشارات الإدخال عادة ما تكون لها نفس السعة والمدة، فإن هذا العيب يمكن أن يؤدي إلى تشغيل غير موثوق للدائرة في أحد الاتجاهات.
إن الدائرة التي تعتمد على ثنائيات نفقية (الشكل 7)، والتي يطلق عليها تقليديًا دائرة "توأم" في الأدبيات الأجنبية، خالية من هذا العيب. في هذه الدائرة يمكن اعتبار أحد الثنائيات مثل TD2 بمثابة مقاومة حمل للدايود TD1. ثم، لبناء خط التحميل للديود TD1، يكفي بناء خاصية الجهد الحالي المقلوب للديود TD2 من النقطة U=E (الشكل 8). ونتيجة لهذا البناء سنحصل على خاصيتين متقاطعتين عند ثلاث نقاط، وستظل النقطة 2 غير مستقرة، وستظل النقطتان 1 و3 مستقرة. نظرًا لأن النقطة الوسطى للبطارية المتحيزة مؤرضة، فقد تم وضع النقطة 2 في الشكل 2. 8 سوف تتوافق مع الصفر المحتمل بالنسبة للأرض. ولذلك، فإن شروط إطلاق مخطط "التوأم" ستكون هي نفسها تمامًا في أي اتجاه. في هذه الحالة، بالطبع، من الضروري اختيار الثنائيات التي لها نفس الخصائص.
أرز. 7. رسم تخطيطي لـ "التوأم"
أرز. 8. خاصية التيار-الجهد للدائرة "التوأم".
يظهر الشكل الجهد الذي تمت إزالته من الدائرة المزدوجة. 9. هنا يمكنك أن ترى أن جهد الخرج يتغير من +U" إلى -U".
أرز. 9. شكل موجة الجهد عند خرج الدائرة "التوأم".
يمكن أن تعمل الدائرة "Twin" أيضًا كمهزاز متعدد إذا تم توصيل الحث L بين الطرف الأرضي وطرف الخرج (الشكل 10). في هذه الحالة، تصبح النقطتان 1 و3 (الشكل 8) غير مستقرة إذا كانت L>8|R| -2 ج، حيث |R| - متوسط المقاومة التفاضلية للصمام الثنائي في القسم المتساقط للخاصية (الشكل 6). شكل التذبذب عند خرج الهزاز المتعدد قريب من الشكل المستطيل (الشكل 9).
أرز. 10. رسم تخطيطي للهزاز المتعدد.
يمكن تحقيق عدم تناسق طفيف في التذبذبات من خلال استخدام الثنائيات ذات المعلمات المختلفة. يمكن تقدير مدة الجزء المسطح من النبضة بشكل تقريبي باستخدام الصيغة التالية:
حيث r L هي مقاومة الحث للتيار المباشر، و r 1 هي مقاومة الصمام الثنائي للتيار المباشر في القسم المميز من U 0 إلى U 1. عادة r 1 هو عدة أوم. يجب تحديد جهد مصدر الطاقة E/2 في النطاق من U 0 إلى U 2 .
لا تستنفد الدوائر المدروسة مجموعة متنوعة من تطبيقات الصمام الثنائي النفقي في أجهزة الهندسة الراديوية المختلفة. ومن الضروري الإشارة إلى أن الصمام الثنائي النفقي هو جهاز واعد للغاية لاكتشاف الفولتية المنخفضة جدًا (حوالي 1 مللي فولت)، ومضاعفة وتحويل الترددات العالية، وما إلى ذلك. ومؤخرًا، ظهرت أجهزة مثل الترانزستورات ذات باعث النفق، مما يجعل من الممكن إنشاء دوائر نبضية أكثر تقدمًا.
كما تجدر الإشارة إلى أن الأبحاث في مجال دراسة فيزياء تأثير النفق في أشباه الموصلات وإنشاء أجهزة تستخدم هذا التأثير لا تزال بعيدة عن الاكتمال. ولذلك، ينبغي توقع المزيد من الاكتشافات والاختراعات الجديدة في هذا المجال في المستقبل القريب.
مبدأ تشغيل المذبذب المحلي (الشكل 2) هو نفس مبدأ تشغيل جهاز الإرسال السابق. السمة المميزة لها هي التضمين غير الكامل للدائرة. يتم ذلك من أجل تحسين شكل واستقرار الاهتزازات المتولدة. يمكن الحصول على شبه جيبي "مثالي"، ولكن في الممارسة العملية، لا مفر من التشوهات غير الخطية الصغيرة. يظهر في الشكل. يمكن استخدام مولد تردد الصوت ذو الشوكة الرنانة 3 كمعيار لضبط الآلات الموسيقية أو جرس التلغراف. يمكن للمولد أيضًا أن يعمل على الثنائيات ذات التيارات القصوى المنخفضة. في هذه الحالة، يجب زيادة عدد اللفات في الملفات، ويجب توصيل مكبر الصوت الديناميكي من خلال مكبر للصوت. للتشغيل العادي للمولد، يجب أن تكون المقاومة الأومية الإجمالية (r + r للملف) أقل من ¦ - Rg ¦، ويجب ضبط موضع أرجل الشوكة الرنانة بالنسبة للنواة المغناطيسية بعناية. لكي تقع نقطة تشغيل الصمام الثنائي على المنطقة ذات المقاومة التفاضلية السلبية، يلزم وجود مصدر جهد ذو مقاومة داخلية منخفضة جدًا. تتراوح قيمة هذه المقاومة في معظم الحالات من عدة عشرات من الأوم إلى عدة أوم. إذا كانت المقاومة المتصلة على التوالي مع الصمام الثنائي النفقي أكبر من 2.5Rd، فلا يمكن وضع نقطة التشغيل بشكل ثابت في المنطقة ذات المقاومة السلبية. لتشغيل الأجهزة التي تستخدم الثنائيات النفقية، يتم استخدام الدائرة الموضحة في الشكل 4. يتم تحديد قيمة مقاومة التحويل Rsh من الشرط Rsh = (0.2-0.3) مقاومة Rd R2 تحمي الدايود والتحويل Rsh من التلف عند إزالة المقاومة R1 بالكامل. يمكن أن يكون مصدر الطاقة بطاريات قابلة للشحن أو بطاريات عالية السعة. في هذه الحالة، ستكون نقطة التشغيل المحددة أكثر استقرارًا بمرور الوقت.
أرز. 1. أبسط جهاز إرسال يستخدم صمام ثنائي النفق.
يحتوي الملف L على 10 لفات من سلك PEL 0.2. 
أرز. 2. مذبذب محلي على الصمام الثنائي النفقي L = 200 μH.
أرز. 3. مولد تردد صوتي يعتمد على صمام ثنائي النفق
1 - شوكة رنانة بتردد 440 هرتز، 2 - قلب مغناطيسي؛
TD - صمام ثنائي للنفق مصنوع من زرنيخيد الغاليوم مع تيار Imax = 70 مللي أمبير؛ ص = 9 أوم.
L1=L2=196 μH — محاثة الملف بدون قلب؛
ك - مفتاح؛ غرام- مكبر الصوت.
أرز. 4 دائرة متحيزة للتيار المستمر لصمام ثنائي النفق.
نادرا ما تستخدم الثنائيات أشباه الموصلات كعناصر رئيسية لوحدات المولدات ومكبرات الصوت. نظرًا لكونها في الغالب مكونات سلبية بحتة، فإنها ببساطة لا يمكنها أن تعمل كمصدر للتيار أو الجهد اللازم لأي مذبذب أو مضخم. ومع ذلك ، هناك عدد قليل جدًا من الحالات عندما يكون من الممكن عند استخدام ثنائيات أشباه الموصلات من أنواع معينة (ثنائيات النفق ، وثنائيات Gunn ، وثنائيات الانهيار الجليدي ، والثنائيات البارامترية) إنشاء مضخم ديود ودوائر مولد.
تشترك أجهزة أشباه الموصلات مثل الثنائيات النفقية وثنائيات Gunn وثنائيات الانهيار الجليدي في خاصية واحدة - وهي وجود الخاصية IV للجهاز في ظل ظروف معينة لقسم ذي مقاومة تفاضلية سلبية. وفي كل من الأجهزة المذكورة أعلاه تختلف التأثيرات الفيزيائية التي تسبب ظهور مثل هذا القسم. في الصمام الثنائي النفقي، يكون هذا انخفاضًا حادًا في تأثير النفق مع زيادة في شدة المجال الكهربائي في أشباه الموصلات فوق قيمة حرجة معينة؛ في الصمام الثنائي Gunn، هذه هي خصوصية بنية شريط زرنيخيد الغاليوم؛ في الصمام الثنائي النفقي، هذا هو خصوصية بنية النطاق من زرنيخيد الغاليوم. الصمام الثنائي للعبور الانهيار الجليدي، هذه هي خصوصية انهيار الانهيار الجليدي عند الترددات العالية للجهد المطبق. وتجدر الإشارة إلى أن هذه الحالات ليست الوحيدة. ومن الأمثلة على ذلك ما هو معروف وشائع على نطاق واسع في الثلاثينيات. كريستادين لوسيفا، والذي كان أيضًا عبارة عن صمام ثنائي لأشباه الموصلات تم إدخاله في وضع انهيار خاص.
اليوم، المذبذبات الذاتية ذات الصمام الثنائي في نطاق الميكروويف هي الأكثر انتشارًا. يستخدمون الثنائيات Gunn والثنائيات العابرة للانهيار الجليدي. في ظل ظروف معينة، يمكن تحويل هذه المولدات إلى مكبرات صوت واستخدامها لتضخيم إشارات الموجات الدقيقة الرنانة. ومع ذلك، نظرا لزيادة مستوى الضوضاء واللاعقلانية العملية، يتم استخدام مكبرات الصوت المعتمدة على الثنائيات Gunn والثنائيات الانهيارية في حالات نادرة للغاية.
هناك نوع خاص من أجهزة تضخيم الموجات الدقيقة يسمى. مكبرات الصوت البارامترية. أنها مبنية على أساس الثنائيات حدودي خاصة. إن مبدأ تشغيل مكبرات الصوت هذه قريب جدًا من كيفية عمل خلاطات الصمام الثنائي الموصوفة أعلاه. يستقبل الصمام الثنائي البارامترى، كما هو الحال في الخلاطات، إشارتين. مع تنسيق معين لهذه الإشارات والاختيار الصحيح لوضع تشغيل الصمام الثنائي، من الممكن إعادة توزيع قوة الإشارات الساقطة لصالح إحداها (المفيدة) على الموصلية غير الخطية أو سعة الصمام الثنائي. وفي الوقت نفسه، من الممكن تحويل تردد هذه الإشارة. من الصعب جدًا إعداد مكبرات الصوت البارامترية بالموجات الدقيقة وهي غير مستقرة تمامًا. ميزتها الرئيسية هي مستوى الضوضاء المنخفض الفريد. لذلك، يتم استخدامها غالبًا في التلسكوبات الراديوية وأنظمة اتصالات الفضاء السحيق.
قد تكون الثنائيات النفقية ذات أهمية كبيرة وقيمة عملية. يمكن استخدام أجهزة المولدات ومكبرات الصوت المعتمدة عليها في أجهزة استقبال الراديو وميكروفونات الراديو ومعدات القياس وما إلى ذلك.
يظهر الشكل 1 دائرة مبسطة لمذبذب ذاتي باستخدام صمام ثنائي نفقي. 3.6-42.
أرز. 3.6-42. دائرة مبسطة للمذبذب الذاتي باستخدام صمام ثنائي النفق
نظرًا لأن خاصية IV الخاصة بصمام الثنائي النفقي تحتوي على قسم ذو مقاومة سلبية ومستقرة في الجهد، فإنه يمكن توليده عند توصيل دائرة تذبذبية متوازية به. في هذه الحالة، سوف تعوض المقاومة السلبية للصمام الثنائي عن الخسائر، ويمكن أن تنشأ تذبذبات غير مخمدة وتستمر في الدائرة. يمكن لثنائيات النفق الحديثة أن تولد بترددات تصل إلى 1 جيجا هرتز أو أكثر. ومع ذلك، نظرًا لصغر حجم قسم خاصية الجهد الحالي للصمام الثنائي ذي المقاومة السلبية، فإن الطاقة التي يوفرها عند أي تردد هي جزء من المللي واط. لمنع تشويه شكل التذبذبات المتولدة، كقاعدة عامة، يتم استخدام التضمين الجزئي للصمام الثنائي في دائرة المولد. الشرط الرئيسي للتوليد هو أن تتجاوز مقاومة فقدان الدائرة المقاومة السلبية لصمام الثنائي النفقي. وبالنظر إلى أن المقاومة الموازية للخسائر في الدوائر التذبذبية الحقيقية تتجاوز بشكل كبير المقاومة السلبية لصمام الثنائي النفقي، يتم استخدام التضمين الجزئي للصمام الثنائي في الدائرة (من خلال صنبور الملف).
سيتم إطلاق بعض قوة التذبذبات المتولدة عند المقاومة الداخلية لمصدر التحيز، لذلك يجب أن تكون صغيرة قدر الإمكان. نظرًا لأن جهد الانحياز المطلوب صغير جدًا (على سبيل المثال، بالنسبة لثنائيات نفق الجرمانيوم بترتيب 0.1...0.15 فولت)، يتم تشغيل ثنائيات النفق عادةً من مقسم الجهد (الشكل 3.6-43). ومع ذلك، يمكن أن يؤدي هذا إلى إهدار استهلاك الطاقة لمصدر الطاقة (وهو أمر مهم بالنسبة للأجهزة الصغيرة). لذلك، لتشغيل الثنائيات النفقية، يجب استخدام مصادر ذات أقل جهد ممكن للخرج. يتم تحديد مقاومة الخرج لمقسم الجهد ضمن نطاق 5...10 أوم، وفقط في الأجهزة التي تتطلب أكبر قدر من الكفاءة، يمكن زيادتها إلى 20...30 أوم. يجب أن تتجاوز المقاومة السلبية لثنائي النفق مقاومة المقسم بمقدار 5...10 مرات. لا يُنصح بتجاوز مثل هذه المقاومات الصغيرة بالمكثفات لتقليل فقد الطاقة عالية التردد، لأنه في بعض الحالات يمكن أن يؤدي ذلك إلى تشغيل غير مستقر للمولد، خاصة إذا تم اختيار وضعه وفقًا لأقصى طاقة خرج. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه من أجل التشغيل المستقر للمولد، من الضروري الحفاظ على موضع ثابت لنقطة تشغيل الصمام الثنائي. إذا تغير جهد الإمداد بنسبة 10% على الأقل (على سبيل المثال، بسبب تفريغ بطارية كيميائية)، فقد يتعطل التشغيل العادي للمولد. في بعض الأحيان يُنصح باستخدام جهد مثبت مسبقًا أو استخدام مقاومات غير خطية في المقسم (تثبيت التيار في الجزء العلوي من الذراع، والجهد في الجزء السفلي من الذراع). لذلك، إذا كان في دائرة المذبذب الذاتي (الشكل 3.6-43) بدلاً من المقاومة R2، نستخدم صمام ثنائي الجرمانيوم منخفض الطاقة في اتصال مباشر، كما هو موضح في الشكل. 3.6-44، سوف يتحسن استقرار المولد، وعندما يتغير جهد الإمداد خلال 1...1.5 فولت، لن تكون هناك حاجة إلى تعديلات إضافية.
أرز. 3.6-43. دارة مذبذب ذاتي يعتمد على صمام ثنائي نفقي مدعوم بمقسم الجهد
أرز. 3.6-44. دارة مذبذب ذاتي يعتمد على صمام ثنائي نفقي ذو مقاومة غير خطية في دائرة الطاقة
جميع الطرق المذكورة أعلاه لتثبيت الجهد تؤدي إلى تعقيد الدوائر إلى حد ما، وفي بعض الحالات تزيد من استهلاك الطاقة، لذلك لا يتم استخدامها على نطاق واسع. في المعدات الحقيقية، غالبًا ما يتم استخدام الثنائيات النفقية مع الترانزستورات. من المعروف أنه في الترانزستور، يعتمد تيار الباعث بشكل قليل نسبيًا على جهد إمداد المجمع، خاصة إذا كان انحياز الترانزستور مستقرًا بطريقة ما. لذلك، عند تغذية الصمام الثنائي بتيار باعث الترانزستور، يمكنك الحصول على ليس فقط الاستقرار، ولكن أيضًا الكفاءة. ويزداد هذا الأخير هنا بسبب حقيقة أنه يتم التخلص من الخسائر في الجزء العلوي من المقسم، وتكون الطاقة الإضافية التي يستهلكها الصمام الثنائي النفقي صغيرة.
في التين. 45-3.6، 46-3.6، 47-3.6 تقدم ثلاثة أمثلة لاستخدام مولد الصمام الثنائي النفقي. عند تصميم مثل هذه المولدات، ينبغي للمرء أن يسعى للحصول على أقصى عامل جودة للدائرة المتذبذبة من أجل زيادة الطاقة المسلمة إلى الحمل.
أرز. 3.6-45. أبسط جهاز إرسال الصمام الثنائي النفقي
أرز. 3.6-46. تحسين دائرة إرسال الصمام الثنائي النفقي
أرز. 3.6-47. مذبذب محلي على صمام ثنائي النفق
لزيادة الطاقة، يمكنك أيضًا تضمين اثنين أو أكثر من الثنائيات في دائرة المولد (الشكل 3.6-48). في هذه الحالة، من الأفضل توصيل الثنائيات على التوالي بالتيار المباشر. ثم يجب أن يكون الجهد عند المقاومة السفلية للمقسم ضعف الجهد الموجود في صمام ثنائي نفقي واحد، أي. يتم تقليل الخسائر في الجزء العلوي من الذراع. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن مقاومة الجزء السفلي من الذراع يجب أن تتكون بالضرورة من مقاومتين متطابقتين، ويجب أن تكون النقطة الوسطى بينهما متصلة عبر التيار المباشر بالنقطة الوسطى للدايودين. وبخلاف ذلك، فإن التشغيل المستقر لاثنين من الثنائيات المتصلة على التوالي أمر مستحيل. بالنسبة للتيار المتردد، يمكن توصيل الثنائيات على التوازي أو على التوالي. في الرسم البياني الموضح في الشكل. 3.6-48 يتم توصيل كل صمام ثنائي بملف منفصل. للحصول على أكبر قدر من الطاقة، يجب ضبط اتصال كل صمام ثنائي بالدائرة بشكل فردي.
أرز. 3.6-48. مذبذب ذاتي يعتمد على ثنائيات النفق
يمكن أيضًا إنشاء مولد ديود نفقي باستخدام مرنان كوارتز الذي يضبط تردد التذبذب. يظهر مثال على مثل هذا المخطط في الشكل. 3.6-49.
