Cursed circuits #6: リバースアバランシェ発振器

Cursed circuits #6: リバースアバランシェ発振器 実際に良い、というほど悪い発振器。しかし真面目な話、それでも悪い。でも良い意味で？ 昨年、「発振器を作るのは難しい」というタイトルの記事を公開しました: 発振器を作るのは難しい lcamtuf・2025年11月21日 フルストーリーを読む このタイトルは、インターネット上には数多くの発振回路が存在するものの、それらの多くは珍しい部品を使用していたり、奇妙な供給電圧を必要としたり、あるいはうまく機能しなかったりする（あるいは全く機能しなかったりする）という事実を暗示していました。 しかし、時には悪いものが芸術の域に達することがあります。ここでは、今日手持ちの部品で組み立てられる、おそらく最も不可解な悪い発振器を紹介します: リバースアバランシェ発振器。 他の小型NPNトランジスタでも機能するはずです。 一見すると、ここには何も意味がありません。トランジスタは上下逆さまになっており、そのベース端子は接続されていません。それにもかかわらず、回路は機能します。約14〜20Vの電源に接続すると、LEDが点滅するのがわかります。 コンデンサの端子にオシロスコープを接続すると、コンデンサが約10Vまで繰り返し充電され、その後急速に電荷の一部を放出し、9.1Vまで低下するのがわかります。 14V電源でのコンデンサ充電状態 (5.8Hzの発振)。著者撮影。 コンデンサが1kΩ抵抗を介して正電源レールから充電されていることは不思議ではありません。また、エネルギーが逆さまのNPNトランジスタを介してLEDに放出されていることも明らかです。しかし、なぜでしょうか？ これに答えるには、半導体接合の基本的な理解が必要です。それらがどのように機能するかについて忘れている場合は、以前の記事が記憶を呼び覚ますのに役立つでしょう: トランジスタはそもそもどうやって動くの？ lcamtuf・2022年11月29日 フルストーリーを読む 簡単な復習として、従来のダイオードは、2つの異なる種類の半導体材料から形成されたp-n接合で構成されています。これらの材料の境界には、空乏層として知られる非導電性領域が形成されます。順バイアス（p側にn側に対して小さな正電圧が印加される場合）では、空乏層が破壊され、電荷キャリアが通過できます。 逆に逆バイアスでは、空乏層は概念的には通過不能なままです。しかし、印加される逆電圧が十分に高い場合、静電場が非常に強くなり、空乏層の電子をアバランシェのような効果で価電子帯に加速するのに十分な力で加速できます。これにより、接合は再び導通するようになります。 1N4148ダイオードのブレークダウン。著者撮影。 NPNトランジスタは、その名前が示すように、2つの接続されたダイオードに似たn-p-n半導体構造です。コレクタ端子またはエミッタ端子のどちらをより正にしても、これらのダイオードのいずれかが常に逆バイアスされているため、私たちが調べている回路では導通が発生しないはずです。 同時に、邪魔になっている逆バイアスされた接合は、十分に高い電圧を供給すればアバランシェブレークダウンの影響を受けやすくなります。トランジスタが通常の向きになっている場合（コレクタがより正の場合）、2N2222のブレークダウン電圧は約50Vです。しかし、コンポーネントを逆に接続すると、エミッタ-コレクタのしきい値は8Vをわずかに超えるだけです。これは、エミッタ領域がより重くドーピングされている (n++) ためです。重くドーピングされた半導体で形成される空乏層は薄く、破壊されやすいため、エミッタ側の n++-p 接合はより容易に突破できます。 しかし、それだけではありません。この回路は通常の逆バイアスダイオードでは発振しません。ダイオードのV-I曲線には、1kΩ抵抗を通して許容される充電電流がダイオードを流れる放電電流と一致する点があり、回路は単にその電圧で安定するでしょう。 私たちの回路を他と違うものにしている本質は、ベースがフローティング状態の逆バイアスNPNトランジスタで注意深く取得された次のV-Iプロットです。 V-Iプロット、2N2222、IB=0。破線: ダイオードに期待されるもの。 n++-p-n構造は、約8.2Vに達するまで非導通のままです。しかし、「こぶ」をクリアするとすぐに、私たちがそれを通過させている電流に応じて導通パスが開き始めます。接合を流れる電流が5mAの場合、プロセスを維持するには約8Vが必要ですが、40mAの場合、7Vで十分です。 この曲線は、回路の安定した平衡の可能性を排除します。コンデンサは「こぶ」に達するまで充電されます。その時点で、いくらかの小さな放電電流がトランジスタを流れますが、10mAを許容する抵抗は損失を補って余りあります。コンデンサは決定的に「ディップ」に押し込まれ、電流は急増しますが、電圧は低下します。しかし、最終的には、コンデンサ電圧は電流を維持するには低すぎ、曲線の形状のため、その電圧はさらに低い電流を維持できなくなります。トランジスタはカットオフします。 古い世代の人なら、同じように振る舞う別のコンポーネントがあることを覚えているかもしれません。ネオンランプです。ランプはガスをイオン化するために高い開始（「点火」）電圧を必要としますが、プラズマが形成されると、それほど多くは必要ありません。ネオンランプは今日では一般的ではありませんが、ほぼ同一の発振器をそれを使って構築できます。 はっきりさせておきますが、この発振器のすべてはひどいものです！比較的高い供給電圧が必要で、非効率的で、頑丈なコンデンサが必要で、デューティサイクルと周波数安定性がひどいです。しかし、半導体は複雑な獣であることを思い出させてくれます。この回路は、ほとんどの本にさえ示されていないV-I曲線の部分を使用しています。 このシリーズの他の記事: Cursed circuits: チャージポンプ電圧半減器 lcamtuf・2025年12月2日 フルストーリーを読む Cursed circuits #2: スイッチトキャパシタ低域通過フィルタ lcamtuf・2025年12月4日 フルストーリーを読む Cursed circuits #5: キャパシタンスマルチプライヤ lcamtuf・7月5日 フルストーリーを読む 私はエレクトロニクス、数学の基礎、技術史、その他のオタクの興味について書いています。気に入ったら、購読してください。 購読する 177 共有