Diversión con resistencia negativa: transistores de gelatina
El concepto de resistencia negativa siempre me ha fascinado. Por supuesto, la verdadera resistencia negativa no es posible, y eso significa que es negativa. diferenciarlo resistencia (NDR). Pero, por supuesto, conocer el término correcto no ayuda a desmitificar el problema. La resistencia negativa suena como un efecto inusual, pero resulta ser relativamente común, apareciendo en lugares como lámparas de neón y algunos semiconductores. Ahora es un momento tan bueno como cualquiera para profundizar y aprender más sobre este principio común.
NDR significa una parte de la curva I / V de un dispositivo donde la corriente cae al aumentar el voltaje aplicado. El dispositivo semiconductor con resistencia negativa más conocido es el diodo túnel, también conocido como diodo Esaki en honor a uno de los inventores ganadores del Premio Nobel del efecto túnel cuántico responsable de su funcionamiento. Estos diodos pueden actuar tremendamente; los proyectos de osciloscopios más rápidos dependieron de ellos durante muchos años. Si bien el transistor y otras tecnologías han mejorado, sin embargo, estos diodos se han descuidado para muchas aplicaciones y los nuevos modelos de productos no están ampliamente disponibles, un estado triste para los hackers de NDR estimados. Pero no se pierde toda esperanza.
Mirando algunos viejos cuadernos, redescubrí un proyecto NDR que se me ocurrió en 2002, usando dos transistores NPN comunes y un puñado de resistencias; muchos lectores ya tendrán los componentes necesarios para experimentar con circuitos similares. En este artículo, veremos lo que puede hacer con las piezas de clase de desecho, y en un artículo futuro exploraremos el tema con algunos diodos de túnel reales.
¡Veamos qué puedes hacer con algunos transistores Jellybean!
Fíngelo
Los diodos de túnel son animales relativamente raros, aunque hoy en día, como la mayoría de las cosas, puedes encontrarlos en eBay, así que quería idear un circuito que permitiera experimentos con resistencia negativa usando partes comunes. Aunque hay algunas soluciones de bricolaje para dispositivos NDR, todas han sido un poco "difíciles" para mi gusto. Por ejemplo, puede crear sus propios componentes NDR calentando una placa galvanizada (¡simplemente no respire los vapores!), O use la región NDR en una unión de recolección de emisor de transistor de polarización inversa para hacer un flash LED extremadamente simple, pero es difícil para controlar los parámetros de estos dispositivos.
Circuito de resistencia diferencial negativo construido con BJT y el símbolo de circuito correspondiente que acabo de inventar
Con esto en mente, en 2002, inventé un circuito de dos transistores donde la región de resistencia negativa está controlada de alguna manera por una selección de resistencias. El circuito copia un dispositivo de dos terminales como un diodo de túnel, y para los propósitos de este artículo, creé un símbolo abreviado que parece un diodo de túnel dentro de una caja. Un asterisco dentro de la caja le recuerda al lector que este no es un diodo efectivo.
En términos del esquema, Q1 funciona como un inversor, con su colector aumentando inicialmente con el suministro, pero luego cayendo a medida que afecta el aumento de voltaje. Q2, configurado como seguidor de transmisor, descarga corriente a través de los terminales del dispositivo a voltajes más bajos, pero falla a medida que aumenta el suministro. El resultado es un circuito cuya corriente aumenta con el voltaje aplicado a un punto, pero luego disminuye de manera relativamente lineal durante algún tiempo, la región de resistencia negativa, antes de aumentar nuevamente. R6 es una parte clave de este circuito; afecta el ancho y la linealidad de la sección NDR de la curva. El circuito todavía es un poco "difícil", pero al menos tienes algunas manijas para girar.
Versión 2019 del circuito NDR
Aunque inicialmente probé ambos transistores 2N3904 y 2N2222 en este circuito, encontré que el 2N4401 funciona mejor, probablemente porque su ganancia es una función de recolección de corriente más débil que los otros dos tipos. Aquí, los ingenieros eléctricos llamarían un circuito "malo" porque depende de las características individuales de los transistores: no puede confiar en que obtendrá los mismos resultados de unos pocos transistores diferentes con parámetros de fabricación típicos. Así que no uses esto en ningún proyecto real; es solo por diversion.
De todos modos, si cree que es necesario experimentar un poco, cambiar R6 es un buen punto de partida; los valores más pequeños extienden la región NDR más ampliamente. Las simulaciones de LTspice funcionan bien para este circuito, al menos cualitativamente. Debido a su dependencia de los parámetros del transistor, los resultados que ves en el banco pueden variar de la simulación a bastante, pero descubrí que la simulación se puede usar para ganar intuición sobre el comportamiento e informar experimentos sobre el asunto real. De hecho, esto resume casi la mayor parte de mi experiencia en simulación electrónica.
El prototipo original de 2002 se montó en una pequeña pieza de perfboard, mientras que yo opté por un vestido de cobre y una construcción fea para la última versión. Ambas formas funcionarán bien; este circuito solo es adecuado para operaciones a baja velocidad, donde las técnicas de construcción no son muy importantes.
Más tarde descubrí que Chua y otros. publicó un artículo en 1985 que describe una amplia variedad de tales circuitos hechos de BJT o MOSFET. Desafortunadamente, el artículo está pagado: el DOI es 10.1109 / TCS.1985.1085599. Si está interesado en diseñar tales circuitos, ese papel parece una mina de oro de información, pero no vale 14 dólares.
Seguimiento de curvas
Pista curva simple con generador de señales y osciloscopio
Lo ideal sería utilizar un rastreador curvo para explorar un circuito como este, pero no tengo un rastreador curvo real. [scribbles on to-do list]. En 2002, recopilé curvas punto por punto con un par de multímetros digitales; esto funciona, pero consume mucho día. Esta vez pirateé un rastreador curvo junto con un generador de trabajo y un osciloscopio. Como se muestra en la figura, se utiliza una resistencia de 10 ohmios como derivación para detectar la corriente del dispositivo en el canal 2 de la amplitud, mientras que el canal 1 mide el voltaje a través del dispositivo probado y la resistencia del sensor. El generador funcional emite una forma de onda inclinada, incluso una sinusoidal lo hará ligeramente, a aproximadamente 100 Hz.
Curva de I / V para el circuito NDR que muestra la región de resistencia diferencial negativa
Con el osciloscopio en modo XY, puede obtener una indicación de la curva I / V del dispositivo. Por supuesto, se ha introducido un error porque el canal 1 mide el voltaje a través del DUT y la resistencia; el voltaje a través del DUT es en realidad la diferencia entre los canales. Desafortunadamente, el alcance que usé no te permite usar trazos matemáticos en modo XY (te estoy mirando, Rigol). Si desea generar curvas I / V precisas con esta configuración, la forma más sencilla podría ser capturar los datos de la traza y luego generar las curvas en su paquete de gráficos favorito.
Sin embargo, por unos pocos puntos, es bastante fácil hacer los cálculos a mano. Por lo tanto, calculé el valor de la resistencia negativa en la región NDR que se muestra en la traza. Según los dos puntos mostrados por los cursores, la región tiene una resistencia diferencial promedio de -64 ohmios. Como puede ver en la gráfica, la región es decentemente lineal de aproximadamente 1,55 V a 3,0 V de voltaje aplicado, yendo entre 27,2 mA y 4,4 mA durante esa duración. Después de eso, la corriente retrocede.
Dependiendo de los transistores específicos utilizados, la curva I / V puede mostrar un bucle de histéresis pronunciado, donde los umbrales para la región NDR dependen de la dirección del cambio de voltaje. En este caso, el dispositivo muestra el comportamiento de la memoria o el estado. Esta propiedad de los dispositivos NDR se ha utilizado en circuitos digitales.
Oscilador LC
Oscilador de 5 kHz hecho por circuito NDR
¿Qué puedes hacer con una resistencia tan negativa? Uno de los usos clásicos de un dispositivo NDR es en osciladores. Considere un circuito de tanque LC paralelo simple. Normalmente, cualquier resistencia en el tanque (o incluso la del inductor o el condensador) es suficiente para amortiguar cualquier oscilación inicial a cero con el tiempo. Sin embargo, proporcionar corriente con resistencia negativa tendrá exactamente el efecto contrario, haciendo que las oscilaciones se acumulen y continúen indefinidamente. Por supuesto, no hay almuerzo gratis; debemos usar una fuente de alimentación para inclinar el dispositivo NDR hacia la región de resistencia negativa.
En el diagrama se muestra un oscilador de 5 kHz, que hice de esta manera con un condensador de 1 uF y un inductor de 1 mH. Para las piezas de tolerancia cero, que no tuve accidentalmente en stock, esto debería resultar en una oscilación de 5.033 kHz. La frecuencia medida fue de 5,11 kHz. Descubrí que el circuito oscila para suministros entre 1.6 V y 3.6 V, con la mejor forma de onda alrededor de 3.5 V, aunque no operaba por sí solo más de 2.6 V. El rango de salida es de aproximadamente 4, 3 V por suministro de 3.5 V.
Salida de oscilador NDR a 5,1 kHz
Los ojos ansiosos pueden notar que falta un elemento en el esquema simple. Para osciladores de frecuencia de audio como este, podría ser bueno que la corriente de retorno fluya de regreso a través de la fuente de alimentación si los conductores son cortos. Para algo más rápido, asegúrese de agregar uno o dos capacitores de cromo en el suministro lo más cerca posible del circuito.
Este circuito simple no es adecuado para osciladores mucho más que para frecuencias de sonido, a diferencia de los diodos de túnel reales, algunos de los cuales pueden alcanzar el rango de GHz.
Amplificador
Circuito de prueba del amplificador NDR
También es posible utilizar dispositivos NDR como amplificadores. En el circuito amplificador de diodo de túnel clásico se usa una resistencia para polarizar el diodo y establecer la ganancia. Con un circuito amplificador de dos terminales, puede resultar difícil multiplicar la entrada y la salida. Probablemente la mejor manera es conectar las señales con CA, pero elegí permanecer cerca del circuito canónico mediante el control de compensación del generador de señales para ajustar la polarización de CC en el diodo.
Un segundo problema es que la ganancia de dicho amplificador depende del tamaño de la resistencia externa en relación con el valor de resistencia negativo. Con un generador de señal de 50 ohmios y un dispositivo de 64 ohmios, no hay mucho espacio para elegir la resistencia externa. Para que sea un poco más fácil de medir, agregué una resistencia de 51 ohmios a través de la salida del generador de señal, lo que hace que la impedancia de salida sea de alrededor de 25 ohmios. Esto nos permite agregar una resistencia de ganancia de 30 ohmios sin arruinar nuestro presupuesto de 64 ohmios.
Amplificador de entrada NDR (amarillo) versus salida (cian). Compensación ajustada para facilitar la comparación.
La señal de entrada a este amplificador está en la parte superior de la resistencia de 30 ohmios, mientras que la salida se toma en la parte inferior. El amplificador resultante es muy no lineal, por lo que es mejor utilizarlo para ondas cuadradas donde tales distorsiones no son un problema. Al ajustar la compensación de un generador de señal, pude encontrar un punto de polarización alrededor del cual el dispositivo mostraba cierta amplificación de voltaje. En la imagen del osciloscopio, puede ver que la señal de salida (trazo cian) tiene una amplitud mayor (1,84 V) que la señal de entrada a 1,26 V. La resistencia de 30 ohmios y el NDR funcionan como el divisor de resistencia conocido, excepto que aumentan el voltaje de entrada!
Diodos de túnel
Mi próxima aventura con NDR se centrará en unos diodos de túnel de arseniuro de galio rusos 3И306M de uva que compré en eBay hace unos años. Si tenemos suerte, también encontraré algunos de los diodos de túnel alemanes que he tenido. Mientras tanto, puede desenterrar algunos transistores y divertirse en el banco, o echar un vistazo a otro de nuestros artículos sobre resistencia negativa.
Tomás dice:
Los diodos de túnel también se utilizan para generar pasos de ~ 0,5 V en cargas de 50 ohmios. El tiempo de subida fue de 10 segundos de picosegundos, ¡tan bueno en la región de GHz!
Por ahora usaría un comparador con Salidas LVDS.
Ted Yapo dice:
Los comparadores de salida CML también son buenos, a menos que necesite una variación de voltaje o salida de corriente mayor, en cuyo caso los controladores de diodos láser destinados a la interconexión óptica parecen ser la mejor opción, al menos en términos de lo que he encontrado.
RoGeorge dice:
Borg: ¡La resistencia es inútil, serás asimilado!
El autor: La resistencia negativa es divertida, ¡te sorprenderás!Muy interesante articulo, gracias!
: o)jacques1956 dice:
"Q2, configurado como emisora"
No es un locutor, sino un plebeyo.
Jan Ciger (@ janoc200) dice:
Aquí hay un buen video que muestra un poco más sobre los diodos de túnel de Alan Wolke:
Estos son elementos fascinantes (¡y muy antiguos!), Pero muy difíciles de usar.
gregg4 dice:
De hecho, los diodos de túnel que creó GE todavía existen. Indique su navegador para buscar el 1N3712 y se sorprenderá. Yo también tengo dos. Entonces no eran baratos.
IanS dice:
¿Pero siguen funcionando? Los diodos de túnel han sido famosos por fallar a lo largo del tiempo debido al alto nivel de dopaje requerido para alimentarlos.
gregg4 dice:
Los dos míos todavía lo hacen.
Hubert dice:
También puede buscar diodos gunn de GaAs que tengan la misma curva de interfaz de usuario
