В прошлом году вышла статья «Собрать осциллятор непросто» — схем в интернете полно, но многие требуют редких деталей, странных напряжений или просто не работают. Однако иногда плохое возводится в искусство. Вот, пожалуй, самый загадочный из всех плохих осцилляторов, который можно собрать прямо сейчас из подручных деталей: перевёрнутый лавинный осциллятор на 2N2222. Транзистор стоит вверх ногами, база никуда не подключена. И тем не менее схема работает: подаёшь 14–20 В, и LED моргает.
Если посмотреть осциллографом на конденсатор, видно, как он заряжается примерно до 10 В, а потом резко сбрасывает часть заряда до 9,1 В. Понятно, что конденсатор заряжается через резистор 1 кОм от плюса питания. И понятно, что энергия уходит в светодиод через перевёрнутый NPN-транзистор. Но почему?
Чтобы разобраться, нужно вспомнить полупроводниковые переходы. Обычный диод — это p-n-переход. В прямом смещении он проводит, в обратном — нет. Но если приложить достаточно высокое обратное напряжение, поле становится таким сильным, что выбивает электроны — начинается лавинный пробой, и переход снова проводит. NPN-транзистор — это два таких перехода, соединённых последовательно. Как ни крути, один из них всегда будет в обратном смещении, и ток через него не пойдёт — если не хватит напряжения.
В обычном включении (коллектор — плюс) 2N2222 пробивается примерно при 50 В. Но если перевернуть, порог «эмиттер–коллектор» падает до чуть более 8 В. Всё дело в том, что область эмиттера легирована гораздо сильнее (n++). В сильнолегированном полупроводнике обеднённый слой тоньше, и пробить его легче.
Но это ещё не всё. С обычным диодом в обратном смещении цепь бы просто стабилизировалась: ток через диод сравнялся бы с током через резистор, и схема застыла бы на каком-то напряжении. Здесь всё иначе. Посмотрите на вольт-амперную характеристику перевёрнутого 2N2222 с плавающей базой. До 8,2 В ток почти нулевой. Но как только «горб» пройден, канал проводимости начинает открываться сильнее при увеличении тока. При 5 мА через переход падает около 8 В, а при 40 мА — всего 7 В.
Такая кривая делает стабильное равновесие невозможным. Конденсатор заряжается до напряжения «горба». В этот момент через транзистор начинает течь небольшой ток, но резистор всё ещё даёт примерно 6 мА — больше, чем уходит. Это решительно загоняет схему на вертикальный участок характеристики, где ток резко взлетает и остаётся высоким, даже когда напряжение падает. В конце концов напряжение на конденсаторе становится таким низким, что поддерживать ток уже невозможно, а из-за формы кривой при низком напряжении удержать малый ток ещё труднее. Транзистор запирается.
Старые радиолюбители могут вспомнить деталь с похожим поведением — неоновую лампу. Ей нужно более высокое напряжение для зажигания, но после ионизации газа хватает гораздо меньшего. Неоновые лампы сейчас редкость, но осциллятор на них работает почти так же.
Надо честно сказать: осциллятор ужасный. Нужно высокое напряжение, он неэффективен, требует ёмкого конденсатора, а частота и скважность импульсов плывут как хотят. Но это хорошее напоминание: полупроводники — сложные звери. Схема использует тот участок ВАХ, который в учебниках обычно даже не показывают.