Блок питания с регулировкой тока и напряжения своими руками

Всем известно, что мощный регулируемый блок питания с регулировкой напряжения и тока самое популярное и востребованное электронное устройство, с изготовления которого начинают свой творческий путь начинающие радиолюбители. Схем очень много, какую выбрать и с чего начинать многие просто теряются. Одним нужен простой лабораторный блок питания с регулировкой напряжения и тока, другим мощное зарядное устройство для зарядки автомобильного аккумулятора, а я предлагаю вам собрать своими руками простой универсальный блок питания с регулировкой напряжения и тока, который можно использовать для выполнения любых задач, питания электронных самоделок и зарядки автомобильного аккумулятора. Все, что от вас потребуется это усидчивость, минимальные знания электроники и умение пользоваться паяльником. А если возникнут вопросы, задавайте их в комментариях, я вам обязательно помогу.

Хватит слов приступим к делу!

На этом рисунке изображена схема блока питания с регулировкой напряжения и тока от 2.

4В до 28В и силой тока до 30А.

Схема блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 30А

Скачать схему блока питания с регулировкой тока и напряжения

Важным элементом данной схемы является регулируемый стабилизатор напряжения микросхема TL431 или, как ее еще называют управляемый стабилитрон позволяющий плавно регулировать напряжение от 2.4 вольта до 28 вольт. Благодаря четырем силовым транзисторам, установленным на больших радиаторах, блок питания может выдержать ток до 30А. Также имеется регулировка тока и защита от переполюсовки, поэтому блок питания можно и даже нужно использовать, как зарядное устройство для автомобильного аккумулятора.

Делитель напряжения, построенный на мощном 5 Вт резисторе R1 и переменном резисторе Р1 ограничивает  ток на катоде и на управляющем электроде стабилитрона TL431. Вращением ручки переменного резистора Р1 задается выходное напряжение стабилитрона, стабилизатор напряжения TL431, автоматически стабилизирует напряжение заданное переменным резистором Р1.

С микросхемы TL431 ток поступает на базу транзистора Т1. Транзистор  выполняет роль ключа и управляет двумя мощными биполярными транзисторами Т2 и Т3 соединенных параллельно для увеличения выходной мощности. В выходной каскад транзисторов установлены уравнительные резисторы R2 и R3. Далее ток поступает на плюсовую клейму блока питания.

Как работает регулировка тока?

В данной схеме реализована функция ограничения тока на двух мощных полевых транзисторах Т4 и Т5 соединенных параллельно. Давайте рассмотрим, как это работает. С диодного моста ток поступает на стабилизатор  напряжения L7812CV, напряжение снижается до 12В, это безопасное значение для затворов транзисторов. Далее ток поступает на делитель напряжения собранный на переменном резисторе Р2 и постоянном резисторе R4. С движка переменного резистора Р2 ток проходит через тока ограничительные резисторы R5 и R6 открывая затворы полевых транзисторов Т4 и Т5. Транзисторы проводят через себя определенное количество тока в зависимости от сопротивления переменного резистора Р2.

В данной схеме ток регулируется при любом выходном напряжении.

Также предусмотрена защита от переполюсовки, состоящая из двух светодиодов. Зеленый светодиод сигнализирует о правильном подключении автомобильного аккумулятора к выходу блоку питания, а красный светодиод, о ошибке подключения. Резисторы R7 и R8 ограничивают ток для светодиодов.

А, вот и печатная плата!

На этом рисунке изображена печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 30А

Печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 30А

Скачать печатную плату блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 30А

Печатную плату вы можете изготовить с помощью лазерно утюжной технологии для продвинутых, а также навесным монтажом этот способ больше подходит для начинающих радиолюбителей и они о нем прекрасно знают. Для изготовления печатной платы вам понадобиться фольгированный стеклотекстолит размером 100х83 мм. Большинство деталей устанавливаются на печатной плате за исключением транзисторов Т2, Т3, Т4, Т5, а также стабилизатор напряжения L7812CV и резисторы R2, R3, Р1, Р2. Биполярные транзисторы Т2 и Т3 устанавливаются на отдельном радиаторе без изоляционных прокладок, потому, что коллекторы транзисторов все равно по схеме соединяются вместе. Полевые транзисторы Т4, Т5 надо тоже установить на отдельном радиаторе без изоляции.

На этом рисунке изображены два радиатора с установленными транзисторами. Между собой радиаторы скреплены двумя лентами двухстороннего автомобильного скотча выполняющего роль электро изоляции. Сверху к радиаторам прикручена винтами пластиковая скрепляющая пластина, придающая жесткость конструкции. К ней будет крепиться дополнительная пластина с печатной платой и вентилятор.

Поскольку уравнительные резисторы R2 и R3 довольно большого размера для их предусмотрена специальная печатная плата, которая изображена на этом рисунке. Размер печатной платы 85х40 мм.

Печатная плата блока резисторов

Скачать печатную плату блока резисторов

Стабилизатор напряжения L7812CV надо закрепить на отдельный радиатор от компьютерного блока питания, потому, что в процессе работы он сильно нагревается. На этой картинке он находится в самом низу на радиаторе от компьютерного блока питания. С правой стороны вы увидите плату с уравнительными резисторами R2 и R3. Транзистор Т1 установлен на маленький радиатор. Переменные резисторы Р1 и Р2 тоже вынесены на верхнюю панель. Диодная сборка установлена на отдельном радиаторе, при большой нагрузке она очень сильно греется.

Для охлаждения радиаторов к установленному в блоке питания стабилизатору напряжения L7812CV я подключил вентилятор размером 120х120 мм, он отлично справляется со своей задачей.

Если вы хотите подключить вентилятор от дополнительной обмотки трансформатора, тогда вам надо поставить дополнительный стабилизатор напряжения по этой схеме.

Схема подключения вентилятора

Скачать схему подключения вентилятора

Как подключить Китайский вольтметр амперметр?

При подключении Китайских электронных вольтметров амперметров возникает очень много различных проблем, то показания скачут, то завышает, то занижает, кому то бракованный прислали, вообщем качество Китайских приборов оставляет желать лучшего.

Китайцы продают на АлиЭкспресс две модели чудо приборов. Первая модель имеет два тонких провода красный и черный, три толстых, красный, черный и синий. У второй модели три тонких провода, красный, черный, желтый и два толстых, красный и черный. Чтобы это Китайское чудо правильно работало и не искажало показания, надо знать простое правило, питание у прибора должно быть отдельное потому, что у прибора нет гальванической развязки и поэтому питание на Китайский вольтметр амперметр обязательно надо брать с дополнительной обмотки трансформатора или дополнительного источника питания, для этих целей идеально подойдет зарядка от телефона.

А лучше всего сделать выбор в сторону Китайских стрелочных аналоговых приборов класса точности 2.5. Поставить отдельно вольтметр и амперметр будет намного проще и точнее. Выбор остается за вами.

На этом рисунке изображена схема подключения Китайского вольтметра амперметра.

Схема подключения китайского вольтметра амперметра к блоку питания

Скачать схему подключения китайского вольтметра амперметра

Испытания блока питания

Пришло время испытать блок питания в деле. У микросхемы TL431 есть такая особенность, нижний порог напряжения 2.4 вольта, поэтому в блоке питания напряжение регулируется от 2.4 вольта до 27.4 вольта. Без нагрузки я выставил напряжение 12.5 вольт и подключил галогеновую лампу Н4. Напряжение под нагрузкой упало до 12.3 вольта, просадка составила всего 0.2 вольта при силе тока 4.88 ампера. Это очень хороший результат. Микросхема TL431 прекрасно стабилизирует  напряжение. Как работает ограничение тока смотрите в видеоролике.

Как заряжать автомобильный аккумулятор?

Ну и самое интересное, это использование блока питания в качестве зарядного устройства для автомобильного аккумулятора. При выключенном блоке питания подключаем аккумулятор. Если горит зеленый светодиод, значит все подключено правильно. Что будет если поменять клеймы местами? А, ничего… Просто загорится красный светодиод, означающий ошибку в подключении.

Далее отключаем минусовую клейму, включаем блок питания и выставляем на блоке 14. 5 вольт. Подключаем минусовую клейму к аккумулятору. И ручкой регулировки тока выставляем в начале зарядки ток не более 6 ампер для 60 амперного аккумулятора. К концу зарядки ток упадет до 0.1 ампера, а напряжение поднимется до 14.5 вольт. Это будет говорить о том, что аккумулятор полностью заряжен.

Для любителей «чем проще, тем лучше,» предлагаю собрать упрощенную схему блока питания на 15А

Данная схема регулируемого блока питания с регулировкой напряжения и тока рассчитана на максимальный ток до 15А. В ней отсутствуют дополнительные силовые транзисторы и уравнительные резисторы, что немного упрощает схему и делает её более бюджетной по сравнению со схемой на 30А.

Схема блока питания с регулировкой тока и напряжения 2.4…28В 15А

Скачать схему блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 15А

Печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В. Размер платы 100х60 мм.

Печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2. 4В до 28В 15А

Скачать печатную плату блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 15А

Радиодетали для сборки

Регулируемый блок питания с регулировкой тока и напряжения 30А

• Регулируемый стабилитрон (микросхема) TL431
• Диодный мост на 50А KBPC5010
• Конденсаторы С1, С2 4700 мкФ 50В
• Резисторы R1 1 кОм 5Вт, R2, R3 0.1 Ом 20 Вт, R4 100 Ом, R5, R6 47 Ом, R7, R8 2.7 кОм 0.25Вт, Р1 5 кОм, Р2 1 кОм.
• Радиатор 100х63х33 мм 2шт, радиатор KG-487-17 (HS 077-30) 1шт, радиатор от компьютерного блока питания 1шт
• Стабилизатор напряжения L7812CV
• Транзисторы Т1 TIP41C, КТ805, КТ819, Т2, Т3 TIP35C, КТ 867А, Т4, Т5 IRFP250, IRFP260
• Светодиоды LED1, LED2 на 3В зеленый и красный

Регулируемый блок питания с регулировкой тока и напряжения 15А

• Регулируемый стабилитрон (микросхема) TL431
• Диодный мост на 25А KBPC2510
• Конденсаторы С1, С2 4700 мкФ 50В
• Резисторы R1 1 кОм 5Вт, R2 100 Ом, R3 47 Ом, R4, R5 2. 7 кОм 0.25Вт, Р1 5 кОм, Р2 1 кОм.
• Радиатор 100х63х33 мм 1шт, радиатор KG-487-17 (HS 077-30) 1шт, радиатор от компьютерного блока питания 1шт
• Стабилизатор напряжения L7812CV
• Транзисторы Т1 TIP41C, КТ805, КТ819, Т2 TIP35C, КТ 867А, Т3 IRFP250, IRFP260
• Светодиоды LED1, LED2 на 3В зеленый и красный

Чем заменить микросхему TL431?

Аналогом микросхемы TL431 является регулируемый стабилитрон КА431, из советских КР142ЕН19А, К1156ЕР5Х

Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать блок питания с регулировкой тока и напряжения своими руками

Защита по току на полевом транзисторе

Защита от КЗ на полевом транзисторе

Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.

Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² •R; P = 10 • 10 • 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы. Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье «Защита для зарядных устройств автоаккумуляторов». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1. Она рассчитывалась на ток до 4А.

Схема электронного предохранителя

В данной схеме в качестве ключа использован полевой транзистор с р каналом IRF4905, имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,02 Ом, при напряжении на затворе = 10В.

IRF4905 Datasheet PDF

В принципе этой величиной ограничивается и минимальное напряжение питания данной схемы. При токе стока, равном 10А, на нем будет выделяться мощность 2 Вт, что повлечет за собой необходимость установки небольшого теплоотвода. Максимальное напряжение затвор-исток у этого транзистора равно 20В, поэтому для предотвращения пробоя структуры затвор-исток, в схему введен стабилитрон VD1, в качестве которого можно применить любой стабилитрон с напряжение стабилизации 12 вольт. Если напряжение на входе схемы будет менее 20В, то стабилитрон из схемы можно удалить. В случае установки стабилитрона, возможно, потребуется коррекция величины резистора R8. R8 = (Uпит — Uст)/Iст; Где Uпит – напряжение на входе схемы, Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Iст – ток стабилитрона. Например, Uпит = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ом.

Преобразователь ток — напряжения

В качестве датчика тока в схеме применен резистор R2, чтобы уменьшить мощность, выделяющуюся на этом резисторе, его номинал выбран всего в одну сотую Ома. При использовании SMD элементов его можно составить из 10 резисторов по 0,1 Ом типоразмера 1206, имеющих мощность 0,25Вт. Применение датчика тока с таким малым сопротивление повлекло за собой применение усилителя сигнала с этого датчика. В качестве усилителя применен ОУ DA1.1 микросхемы LM358N.

LM358 Datasheet PDF

Коэффициент усиления этого усилителя равен (R3 + R4)/R1 = 100. Таким образом, с датчиком тока, имеющим сопротивление 0,01 Ом, коэффициент преобразования данного преобразователя ток – напряжения равен единице, т.е. одному амперу тока нагрузки равно напряжение величиной 1В на выходе 7 DA1.1. Корректировать Кус можно резистором R3. При указанных номиналах резисторов R5 и R6, максимальный ток защиты можно установить в пределах… . Сейчас посчитаем. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Найдем ток, протекающий через этот делитель: I = U/R = 5А/11000Ом = 0,00045А. Отсюда, максимальное напряжение, которое можно выставить на выводе 2 DA1, будет равно U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B. Таким образом, максимальный ток защиты будет равен примерно 4,5А.

Компаратор напряжения

На втором ОУ, входящем в состав данной МС, собран компаратор напряжения. На инвертирующий вход этого компаратора подано регулируемое резистором R6 опорное напряжение со стабилизатора DA2. На неинвертирующий вход 3 DA1.2 подается усиленное напряжение с датчика тока. Нагрузкой компаратора служит последовательная цепь, светодиод оптрона и гасящий регулировочный резистор R7. Резистором R7 выставляют ток, проходящий через эту цепь, порядка 15 мА.

Работа схемы

Работает схема следующим образом. Например, при токе нагрузки в 3А, на датчике тока выделится напряжение 0,01 х 3 = 0,03В. На выходе усилителя DA1.1 будет напряжение, равное 0,03В х 100 = 3В. Если в данном случае на входе 2 DA1.2 присутствует опорное напряжение выставленное резистором R6, меньше трех вольт, то на выходе компаратора 1 появится напряжение близкое к напряжению питания ОУ, т.е. пять вольт. В результате засветятся светодиод оптрона. Откроется тиристор оптрона и зашунтирует затвор полевого транзистора с его истоком. Транзистор закроется и отключит нагрузку. Вернуть схему в исходное состояние можно кнопкой SB1 или выключением и повторным включением БП.

Недостатком схемы является однополярное питание операционного усилителя, в связи с этим при малых значениях падения напряжения на датчике тока, возникает большая нелинейность коэффициента усиления ОУ DA1.1.

Простые электронные ограничители тока

Infineon IRF9540N

В. И. Иволгин, г. Тамбов

Любое электронное устройство имеет источник питания, за счет энергии которого оно выполняет свои функции. И неудивительно, что в печати значительное место отводится их описаниям, рекомендациям по конструированию, рассмотрению работы отдельных узлов, предложениям по их улучшению.

Следует отметить, что современные источники питания, как правило, обладают довольно низким выходным сопротивлением. И по этой причине в нештатных ситуациях, даже при низких напряжениях на их выходе, не исключены значительные токовые перегрузки, приводящие к повреждению источника или самого устройства. В связи с этим источники питания, как правило, снабжаются системами защиты. Они достаточно разнообразны, обладают большей или меньшей автономностью относительно конструкции самого источника.

Один из вариантов такого устройства, которое можно использовать в виде самостоятельного узла, предлагается в [1]. Его принцип действия основан на ограничении потребляемого тока, в качестве датчика которого применяется низкоомный резистор, включенный последовательно в один из проводов между источником питания и нагрузкой. Напряжение с датчика, пропорциональное потребляемому току, после усиления используется для управления проходным транзистором. Изменением в нужный момент режима его работы и выполняется непосредственная защита от перегрузки.

В указанной статье в качестве прототипа приводится хорошо известная структура на двух биполярных транзисторах (Рисунок 1). Основной недостаток устройства – значительное падение напряжения на нем, которое достигает максимального значения при предельном рабочем токе. По данным автора, оно составляет примерно 1.6 В, причем на проходном транзисторе VT1 падает около 1 В, а на токовом датчике Rs – остальные 0.6 В. В связи с чем автором предлагается другая схема, которая позволяет снизить падение напряжения на нем до 0.235 В при токе ограничения в 1.3 А. Это значение достаточно мало, правда достигается оно использованием более сложной схемы, содержащей около 20 элементов [1].

Рисунок 1.	Принципиальная схема прототипа ограничителя тока.

С другой стороны, эта конструкция, по сравнению с предложенной автором, привлекает своей простотой. И в связи с этим возникает вопрос: а можно ли, оставаясь в рамках такой простой структуры, добиться снижения падения напряжения на подобном предохранителе без ее заметного усложнения? И каким образом?

Как следует из приведенных числовых данных по прототипу, наибольшее падение напряжения приходится на проходной биполярный транзистор VT1. Анализ показывает, что при подобном включении добиться его насыщения, и тем самым достичь малых значений падения напряжения, невозможно без дополнительного источника питания. Но его введение только для этой цели было бы накладным. И хотя можно было бы, наверное, предложить и какие-то другие способы уменьшения этих потерь на VT1, будет рациональнее сразу произвести замену биполярного транзистора на полевой с низким значением сопротивления канала. Это позволит уменьшить как падение напряжения на регулирующем транзисторе, так и собственное потребление ограничителя за счет снижения токов управления. Кроме того, целесообразно изменить связи между транзисторами так, чтобы преобразовать ограничитель в систему двух усилительных каскадов, вместо лишь одного в исходной структуре. В конечном итоге принципиальная схема исследуемого ограничителя будет выглядеть уже так (Рисунок 2), которую можно рассматривать и как упрощенный вариант устройства, приведенного в [2].

Рисунок 2.	Принципиальная схема преобразованного ограничителя тока.

Проверка работоспособности предлагаемого ограничителя, а также выполнение измерений, проводились на макете, в котором использовались в качестве VT1 полевой транзистор IRF9540, установленный на радиаторе, VT2 – транзистор SS8550 с β ≈ 300, R_S – резистор 1.2 Ом, R1 – 4.2 кОм, а нагрузкой являлся набор переменных проволочных резисторов необходимой мощности. Напряжение на входе ограничителя составляло 12 В. Результаты измерений приведены на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Зависимость падений напряжения на датчике тока RS и проходном транзисторе VT1 на начальной стадии ограничения.

Испытание ограничителя коротким замыканием показало, что при выполнении этой манипуляции ток через проходной транзистор устанавливается на уровне 0. 5 А при напряжении на токовом датчике 0.60 В. И, таким образом, подобный ограничитель тока вполне работоспособен. Можно также отметить его довольно высокое выходное сопротивление в режиме ограничения тока – при изменении напряжения на его выходе в интервале 0…11.3 В ток через нагрузку практически остается равным 0.5 А. Кроме того, в связи с известной зависимостью параметров транзисторов от температуры, была проконтролирована зависимость значения ограничения тока от нагрева VT2. Как оказалось, ее величина составила всего около –0.2% относительной погрешности на градус.

Из анализа графиков следует, что падение напряжения на проходном транзисторе этой конструкции уже достаточно мало и даже на краю токового диапазона не превышает 0.1 В. Можно так же отметить, что на графике зависимости падения напряжения на VT1 визуально можно выделить два интервала. На первом из них, при токах от 0 до 0.45 А, рост падения напряжения является его линейной функцией, что указывает на насыщение транзистора в этой части диапазона. И действительно, вычисленное по этим данным сопротивление канала транзистора составляет приблизительно 0.125 Ом, что практически совпадает с паспортными данными используемого транзистора VT1. При бóльших же токах, в интервале 0.45 – 0.5 А, происходит сначала медленный, а затем резкий нелинейный рост этой величины, связанный уже с включением механизма ограничения тока.

Таким образом, из приведенных выше данных следует, что общее падение напряжения на ограничителе заметно снизилось, и уже определяется в основном не падением напряжения на VT1, а напряжением датчика R_S. Каким же образом можно уменьшить последнюю величину?

Ответ напрашивается сам собой – нужно уменьшить значение R_S, как это и сделано в [1], а для компенсации снижения уровня сигнала датчика использовать дополнительный усилитель. Но с другой стороны, и в рассмотренной выше схеме (Рисунок 2) такой усилитель, выполненный на транзисторе VT2, уже есть. Тем не менее, его параметры не позволяют снизить падение напряжения R_S до меньших значений, хотя он и обладает достаточно высоким коэффициентом усиления. В связи с этой проблемой рассмотрим подробнее особенности работы VT2 в роли предварительного усилителя сигнала с датчика тока.

Как следует из принципиальной схемы (Рисунок 2), ограничение тока через VT1 происходит за счет изменения напряжения на его затворе, возникающего при изменении коллекторного тока транзистора VT2. Управление же его режимом осуществляется напряжением с резистора датчика тока R_S. И, как следует из данных последних измерений (Рисунок 3), выход устройства на полное ограничение тока происходит только при напряжениях около 0.6 В на его базе относительно эмиттера. Этим обстоятельством и определяется величина сопротивления резистора R_S.

Но характерно, что часть напряжения на датчике в диапазоне от 0 до 0.55 В можно считать «лишней», поскольку в этом интервале VT2 практически не «чувствует» его, а по настоящему «рабочим» для него будет только интервал 0.55 – 0.6 В. Сдвинув же нижнюю границу чувствительности усилителя, визуально составляющую 0. 55 В, к нулю, можно будет решить проблему снижения значения R_S.

Технически этого результата можно достичь, например, вводом в цепь между базой VT2 и правым выводом R_S отдельного вспомогательного источника напряжением 0.55 В. Но удобнее сформировать его применением делителя из двух резисторов, включенных между общим проводом и эмиттером транзистора VT1 (резисторы R2, R3, Рисунок 4). И его параметры должны обеспечивать падение напряжения на R2, равное 0.55 В. Для меньшей зависимости этой величины от входного тока транзистора ток этого делителя желательно выдерживать в пределах 0.5 – 1 мА. При этих условиях уже незначительное напряжение на R_S переведет транзистор VT2 в активный режим начала ограничения, а полное ограничение тока произойдет при падения напряжения на R_S всего лишь немногим более 0.05 В. Понятно, что изменением этих резисторов можно будет изменять порог ограничения тока. И это будет удобнее, чем подбирать величину R_S.

Рисунок 4.	Принципиальная схема ограничителя тока со сниженным падением напряжения на резистивном датчике.

Новая редакция принципиальной схемы ограничителя, уже с учетом изложенных соображений, представлена на Рисунке 4. Его макет для испытаний был выполнен с сохранением деталей устройства предыдущей версии с изменением сопротивления R_S на 0.2 Ом, а установленные дополнительные резисторы R2 и R3 имеют значения, соответственно, 680 Ом и 15 кОм. Условия проведения испытаний и измерений сохранены теми же, что и ранее.

Основные результаты испытаний, как следует из представленных графиков (Рисунок 5), сводятся к следующему. Как и ранее, ток короткого замыкания устройства составляет 0.5 А. Точнее, реально при указанных значениях резисторов R2, R3, он составил 0.48 А, но это значение было скорректировано включением последовательно с R3 дополнительного переменного резистора. Что касается максимального значения падения напряжения на датчике R_S, то оно упало пропорционально уменьшению величины установленного R_S и составило всего около 0.1 В. График падения напряжения на регулирующем транзисторе, по сравнению с аналогичным параметром предыдущей схемы, в общем, сохранил свои черты, хотя и несколько изменился. Так, например, следует обратить внимание на то, что в этот раз область резко нелинейного роста падения напряжения на проходном транзисторе сместилась в диапазон 0.4 – 0.5 А, а в остальной – растет практически линейно. Из этого следует, что определенный резерв по снижению падения напряжения на датчике тока R_S еще есть.

Рисунок 5.	Зависимость падения напряжения на RS и проходном транзисторе VT1.

Как уже отмечалось, незначительная коррекция тока ограничения в этой конструкции была проведена изменением сопротивления R3, но когда требуется его значительное изменение, удобнее пользоваться R2. При расчете его величины целесообразно предварительно задаться величиной максимального падения напряжения V_SM на датчике тока R_S в режиме ограничения. В принципе, это значение может быть любым из интервала от 0 до 0.6 В. Но нужно иметь в виду, что с его уменьшением ухудшается температурная стабильность предложенного решения. Так при V_SM = 0.6 В температурный коэффициент зависимости изменения предела ограничения тока в области комнатных температур не превышает значения 0.2% на градус, а при V_SM = 0.1 В этот показатель возрастает уже до 1.5% . Эта величина в ряде случаев может оказаться еще приемлемой, и ее условно можно принять за нижнюю границу интервала допустимых значений V_SM, верхняя же будет обусловлена максимальным падением напряжения на базе транзистора VT2 в режиме ограничения тока. Если для расчета выбрать V_SM равным 0.15 В, то из этого условия при заданном токе ограничения I_M, например, 1.5 А, определится величина

Далее, допустив, что в режиме ограничения сумма падений напряжения на R_S и R2 будет равняться 0. 6 В, как это следует из результатов предшествующих измерений (Рисунок 3), получим уравнение:

(1),

из которого следует, что

(2).

При V_ВХ = 12 В и R3 = 15 кОм получаем, что R2 = 0.58 кОм.

При необходимости этим резистором, если его заменить на переменный, можно будет оперативно менять ток ограничения в значительных пределах, что, правда, будет сопровождаться изменением величины максимального падения напряжения V_SM и соответствующего ему изменения температурного коэффициента нестабильности.

Подводя итог обсуждению вопроса о конструкции простого ограничителя тока (Рисунок 4), можно сделать вывод о том, что изменения, внесенные в структуру прототипа (Рисунок 1), в конечном итоге, позволили снизить потери напряжения на нем до десятых долей вольта. Следует также добавить, что его работа выборочно была проверена и в других режимах, не отраженных в статье. В частности, при токах ограничения в диапазоне от 10 мА до 5 А и входных напряжениях 7, 12 и 20 В. Для адаптации к этим условиям изменялись лишь значения R_S ( 0.05, 0.2 и 1.2 Ом), а для задания тока ограничения в качестве R2 использовался переменный резистор на 1 кОм, сопротивление которого устанавливалось в соответствии с расчетом по (2). Все остальные элементы, включая и транзисторы, оставались прежними.

Защита по току на полевом транзисторе

Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Автор: Blaze, [email protected]
Опубликовано 09.02.2016
Создано при помощи КотоРед.

На создание данной статьи меня спровоцировал опыт создания блоков питания и зарядных устройств на основе простых импульсных блоков питания, которыми являются как иип на IR2153, так и переделанный различными способами под блок питания электронный трансформатор. Данные источники питания являются простыми, нестабилизированными импульсными блоками питания без каких-либо защит. Не смотря на данные недостатки, такие источники питания довольно просты в изготовлении,не требуют сложной настройки, времени на создание такого блока питания требуется меньше чем на полный ШИМ БП с узлами стабилизации и защиты.

Обьединив такой блок питания и простейший ШИМ- регулятор на NE555, получам регулируемый блок питания как для экспирементов, так и для зарядки АКБ. Радости нашей нет предела до того момента, пока данный девайс не попробовать на искру, или по ошибке, размышляя над созданием очередного аппарата перепутать полярность заряжаемого АКБ. Окрикивая громким хлопком и орошая едким дымом помещение,в котором произошол данный конфуз, изобретение сообщает нам, что простой импульсный блок питания, который собран по упрощённо-ознакомительной схеме не может быть надёжным.

Тут пришла мысль о том, чтобы найти не просто ввести тот или инной узел защиты в конкретный экземпляр блока питания, а найти или создать универсальную быстродействующую схему, которую можно внедрять в любой вторичный источник питания.

Требования к узлу защиты:

-плата защиты должна занимать мало места

-работоспособной при больших токах нагрузки

-высокая скорость срабатывания

Одним из заинтересовавших вариантов была такая схема, найденная в интерете:

При замыкании выхода данной схемы, разряжается ёмкость затвора VT1 через диод VD1, что приводит к закрытию VT1 и ток через транзистор не протекает, блок питания остаётся целым и невредимым. Но что же произойдёт если на выход данной схемы подключить нагрузку, в 300вт, когда наш иип может выдать всего 200вт? Не смотря на то что у нас присутствует схема защиты, замученный блок питания снова взрывается.

Недостатки данной схемы:

1. Необходимо точно подбирать сопротивление шунта, чтобы максимально допустимый ток блока питания создал такое падение напряжения на выбранном шунте, при котором VT2, открываясь полностью закроет VT1.

2. В данной схеме может наступить момент, когда ток проходящий через шунт, приоткроет VT2, вследствии чего VT1 начнёт закрываться и останется в таком состоянии, что будет недозакрыт, а учитывая что через VT1 протекает немалый ток, то данный линейный режим вызовет его сильный перегрев, врезультате которого VT1 будет пробит.

В блоке питания на IR2153 однажды применял триггерную защиту, остался доволен её работой. Прицепим к схеме триггерной защёлки на комплиментарной паре транзисторов шунт в качестве датчика тока и n-канальный транзистор в роли ключевого элемента получаем такую схему:

После подачи питания на схему, транзистор Q3, через светодиод и R4 открывается, стабилитрон D3 ограничивает напряжение на затворе полевого транзистора. D4 защищает Q3 от выбросов высокого напряжения, при подключении индуктивной нагрузки (электродвигатель). На паре транзисторов Q1, Q2 собран аналог тиристора. Ток, протекающий через шунт R1, вызывает падение напряжения, которое с движка переменного резистора R10, и цепочку R2, С2, поступает на базу транзистора Q2. Величину напряжения с шунта, которое пропорционально току, протекающему через этот шунт можно регулировать прерменным резистором R10. В момент, когда напряжение на базе Q2 станет больше 0.5-0.7в транзистор Q2 начнёт открываться, тем самым открывая Q1, в свою очередь транзистор Q1открываясь, будет открывать Q2. Данный процесс происходит очень быстро, за доли секунды транзисторы откроют друг друга и останутся в таком устойчивом состоянии. Через открытый аналог тиристора затвро Q3, а также резистор R4 окажутся подключены к общему проводнику схемы, что приведёт к закрытию Q3 и свечение светодиода D1 сообщит о том что сработала защита. Снять защиту можно как отключив кратковременно питание, так и кратковременным нажатием на кнопку S1.

Универсальная схема защиты была создана и проверена в работе, шунт R1 был составлен из двух резисторов 0.22 Ом 5Вт. Остался последний шаг – вводим в нвшу схему защиту от переполюсовки клемм АКБ.

Схема с защитой от переполюсовки :

Наша схема дополнилась диодом D2, резисторами R6, R5. Кнопка S1 была убрана из схемы по причине того, что при срабатывании защиты она не выводила схему из защиты, после доработки.

Токовая защита осталась без изменений, снять защиту можно отключив питание на 2-3 секунды. При подключении к выходу схемы АКБ, перепутав полярность, напряжение с АКБ через диод D2, резистор R6 поступает на базу Q2, срабатывает защита Q3 закрывается, светодиод D1 сигнализирует о срабатывании защиты.

На этой волне я заканчиваю поиски защиты для своих простых иип. Работой своих схем доволен, надеюсь они пригодятся и вам.

Сообщества › Сделай Сам › Блог › Защита от переполюсовки и короткого замыкания на выходе. Для зарядного устройства. Своими руками.

Друзья всем привет в этой записи я решил рассказать про защиту зарядного устройства. Рассмотрю на мой взгляд две самые простые и популярные схемы.

Смотрите также

Метки: sam_электрик, защита от короткого замыкания, защита от переполюсовки, защита зарядного устроиства

Комментарии 57

Привет, в схеме защиты на реле светодиод какого типа стоит?

Самый обычный светодиод. 3мм

А на какое напряжение? Думаю собрать первую схемку, может даже только поставить VD1 иVD2, без индикации будет.

Так они все 2…3 вольта.

В схеме с полевиком, можно убрать шунт если мне не нужна защита от КЗ, а нужна только от переполюсовки?
Или без шунта не будет работать?

Маленькое замечание по релейной схеме защиты. Избыточность (по количеству) диодов трогать не будем.
Если попадётся АКБ с глубокой разрядной( ниже 9V), то реле тупо не сработает, даже при правильном подключении.

По поводу видео, у полевого транзистора НЕ база — затвор.

Да с полевиком та же ситуация получиться (если он конечно не управляется логическим уровнем). Потому что открыть транзистор нужно 10-12 вольт на затворе. При меньших напряжениях будет возрастать сопротивление сток исток и транзистор начнет греться.

VD3 VD4,VD1 тоже не нужен, нигде в машинах я не видел диодов для реле,

я про них и говорил) а параллельно реле по идее можно оставить…

VD3 VD4,VD1 тоже не нужен, нигде в машинах я не видел диодов для реле,

VD1 я так понимаю, защитный диод от бросков тока индуктивности реле. Я видал не мало проблем из за того что не было установлено защитных диодов или RC цепей. Вот VD3 и VD4 ставить со светодиодами, это уже избыточность, зачем диоду диод я не совсем понял. Вот если бы там вместо светодиода стояли лампы или что то полнопроводимое, тогда бы да.
То ли автор рукожоп, то ли стянул схему у рукожопа, чем так же зарукожопил 🙂

У светодиодов есть такой параметр, как предельно допустимое напряжение, видимо для этого и стоят диоды.

И что же они делают?

Возможно, так было реализована защита от пробоя обратным напряжением, хотя более правильно было бы их подключить встречно-параллельно светодиодам. А в том виде, как они сейчас на схеме изображены, боюсь — ничего, просто стоят.

У светодиодов есть такой параметр, как предельно допустимое напряжение, видимо для этого и стоят диоды.

От предельно допустимого напряжения стоят резисторы последовательно со светодиодами. Что не спасёт эти светодиоды от бросков тока…

Резисторы стоят, ограничивающие ток в прямом направлении, от бросков тока защитят, если их взять с запасом по сопротивлению. От пробоя обратным напряжением они никак не спасут, могут лишь впоследствие ограничить ток обратного напряжения.
Когда к светодиоду приложено обратное напряжение, даже через резистор, ток через цепь не течет (при напряжении меньше порогового), а это значит, что на выводах светодиода присутствует полное напряжения питания, так что не надо заблуждаться, если вы используете светодиод в цепи, напряжение где выше предельно допустимого обратного, защищайте светодиод от пробоя обратным напряжением, и не резистором, включенным последовательно.

VD1 я так понимаю, защитный диод от бросков тока индуктивности реле. Я видал не мало проблем из за того что не было установлено защитных диодов или RC цепей. Вот VD3 и VD4 ставить со светодиодами, это уже избыточность, зачем диоду диод я не совсем понял. Вот если бы там вместо светодиода стояли лампы или что то полнопроводимое, тогда бы да.
То ли автор рукожоп, то ли стянул схему у рукожопа, чем так же зарукожопил 🙂

Сто баллов рукожопы все. Видео не смотрим. На плате этих диодов нет, есть только под красным светодиодом и то он там не для него, а для подключения пищалки.

Так перерисуй схему и не нужно каждому объяснять.
Я к примеру зашел с сотика и не буду тратить траффик на видюшки, а схему гляну.

Ок схему перерисую.

Сто баллов рукожопы все. Видео не смотрим. На плате этих диодов нет, есть только под красным светодиодом и то он там не для него, а для подключения пищалки.

Ещё одну звезду рукожопа себе набей. Мы вроде как схему на картинке обсуждали, причём тут видео?

Во заладил рукожоп да рукожоп. Давай еще на личности перейди. Отвлекись, почитай статью “нормальную” успокойся. Если так судить то из любой схемы можно десяток деталей выкинуть.

Ты сначала пишешь спасибо за внимание и за критику, а потом недоволен этой самой критикой, говоришь чтоб мимо проходили. Как ещё то относится к такому, и общаться с таким человеком?
Вот начало твоей записи — “Друзья всем привет в этой записи я решил рассказать про защиту зарядного устройства. Рассмотрю на мой взгляд две самые простые и популярные схемы.” — только где ты что рассказал в записи или рассмотрел я не вижу, а вижу я только ссылку на другой ресурс — видеохостинг с видеороликом. Перепиши статью, опиши конструкции схем, их достоинства и назначение. В конце уже вставь видео, и тогда статья будет полноценна. А так получается просто перепост видеозаписи, насасывание лайков или ещё чего то. Некрасиво это, неприятно и вызывает только раздражение.

Критика нужна адекватная и по сути, это запись, а не статья. Статьи в газетах пишут. Принцип работы, сравнение, демонстрация работы все это здесь есть. И если у вас какие то проблемы с видео, то не надо критиковать людей за это. Правила не запрещают видео ставить, а то что писанину не развел извините не в журнал “радио” пишу.

Вот опять трындишь на тему — “не нравиться иди в другое место”. Так создай сообщество с названием перепост видео с ютуба, и делай свои записи. Стати не только в газету пишут, а так же в журнал, блог и т. д. Критика адекватная, я тебе не только указал что твой пост говно, но и расписал почему, а ты брыкаешься, что это я такой неугодный читатель.

Таких “говно” постов сейчас 80% на драйве. Трудно вам придется, почитать почти нечего.

VD3 VD4,VD1 тоже не нужен, нигде в машинах я не видел диодов для реле,

На транзисторном управлении лучше поставить, да и искру они гасят на управлении(если клавиша).
У меня к примеру релюшки в авто все идут с резисторами. С диодами сложнее, т.к. будет влиять полярность.

А тут конечно это всё лишнее.

а вторая схема вообще жуткое усложнение первой) третья походу на ардуине будет)

да чувак просто набрал контента в инете и слепил видос чтобы бабла подзаработать на просмотрах
а тут обсуждают как будто он сам чо-то делал

Самое простое диод и предохранитель. Защищает и от перегрузки по току и от переполюсовки.

один нюанс… его ж надо менять… и где то взять… потом он перерастает в жирного жука и утрачивает свой статус)

Это что же надо сколько раз перепутать?
А предохранитель можно и восстанавливающийся, но он медленее обычного.

за долгую жизнь зарядника можно мульён раз перепутать)

Зато дёшево, надёжно и работает всегда!
ну а от всяких путаников и любителей “жуков” спасёт только гильотина.

про всегда. я б поостерёгся) не всегда есть предаки с собой. тем более, сейчас китайчатина такая, что шипит, плавится, но не сгорает) да и к примеру в 30 мороз предак менять не комильфо совсем)

Езде есть плюсы и минусы, а первую схему попробуйте запустить на севшей АКБ.

Это интересно

Страницы

Ярлыки

понедельник, 5 января 2015 г.

Схема защиты блока питания и зарядных устройств

Представлена конструкция защиты для блока питания любого типа. Данная схема защиты может совместно работать с любыми блоками питания – сетевыми, импульсными и аккумуляторами постоянного тока. Схематическая развязка такого блока защиты относительна проста и состоит из нескольких компонентов.

Схема защиты блока питания

Силовая часть – мощный полевой транзистор – в ходе работы не перегревается, следовательно в теплоотводе тоже не нуждается. Схема одновременно является защитой от переплюсовки питания, перегруза и КЗ на выходе, ток срабатывания защиты можно подобрать подбором сопротивления резистора шунта, в моем случае ток составляет 8 Ампер, использовано 6 резисторов 5 ватт 0,1 Ом параллельно подключенных. Шунт можно сделать также из резисторов с мощностью 1-3 ватт.

Более точно защиту можно настроить путем подбора сопротивления подстроечного резистора. Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока

При КЗ и перегрузе выхода блока, защита мгновенно сработает, отключив источник питания. О срабатывании защиты осведомит светодиодный индикатор. Даже при КЗ выхода на пару десятков секунд, полевой транзистор остается холодным

Полевой транзистор не критичен, подойдут любые ключи с током 15-20 и выше Ампер и с рабочим напряжением 20-60 Вольт. Отлично подходят ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или более мощные – IRF3205, IRL3705, IRL2505 и им подобные.

Данная схема также отлично подходит в качестве защиты зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов, если вдруг перепутали полярность подключения, то с зарядным устройством ничего страшного не произойдет, защита спасет устройство в таких ситуациях.

Благодаря быстрой работе защиты, ее можно с успехом применить для импульсных схем, при КЗ защита сработает быстрее, чем успеют сгореть силовые ключи импульсного блока питания. Схематика подойдет также для импульсных инверторов, в качестве защиты по току. При перегрузе или кз во вторичной цепи инвертора, мигом вылетают силовые транзисторы инвертора, а такая защита не даст этому произойти.

Комментарии
Защита от короткого замыкания, переплюсовки полярноси и перегруза собрана на отдельной плате. Силовой транзистор использован серии IRFZ44, но при желании можно заменить на более мощный IRF3205 или на любой другой силовой ключ, который имеет близкие параметры. Можно использовать ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 и другие ключи с током более 20 Ампер. В ходе работы полевой транзистор остается ледяным,. поэтому в теплоотводе не нуждается.

Схема срисована из зарядника аккумуляторной отвертки. Красный индикатор свидетельствует о том, что имеется выходное напряжение на выходе БП, зеленый индикатор показывает процесс заряда. С таким раскладом компонентов, зеленый индикатор будет постепенно потухат и окончательно потухнет, когда напряжение на аккумуляторе будет 12,2-12,4 Вольт, когда аккумулятор отключен, индикатор гореть не будет.

Комментарий
Схема своего рода “НОУ-ХАУ”, по простоте и надежности. Плюс в том, что не нужно использовать мощное реле, или тиристор, на котором падение напряжения около двух вольт. Схема как самостоятельное устройство может быть встроена в любое зарядное устройство и блок питания. Выход из режима защиты автоматический, как только устранится короткое замыкание или преполюсовка. При срабатывании светится светодиод “ошибка подключения”. Описание работы: При нормальном режиме напряжение через светодиод и резистор R9 отпирает VT1 и все напряжение со входа поступает на выход. При коротком замыкании или переполюсовке ток импульсно резко возрастает, падение напряжения на полевике и шунте резко увеличивается, что приводит к открыванию VT2, который в свою очередь шунтирует затвор исток. Добавочное отрицательное напряжение по отношению к истоку (падение на шунте) прикрывает VT1. Далее происходит лавинный процесс закрытия VT1. Светодиод засвечивается через открытый VT2. Схема может находиться в данном состоянии сколь угодно долго, до устранения замыкания.

собирал сегодня сие) Родная защита Дашенга даже не успевает сработать)

Принцип работы прост – при резком скачке напряжения, на шунте появляется падение напряжения, которое отпирает vt2 полевик закрывается (т.к. затвор садится на землю). При этом загорается св. диод (т.к. получает минус на затворе).

В нормальном состоянии затвор открывает положительным напряжением с цепочки св.диод-R9 Тот же принцип и при переплюсовке – от скачка тока.

Работает быстро, но криво – при выключенном блоке и подключенном аккумуляторе, на блок валит напряжение, т. к. полевик открывает акк. Я думаю, нужно делать какую-нить защиту, чтоб при пропадании напряжения зарядки, акк отключался от схемы.

Вот та же схема, только перевернутая по правильному. Использовал в зарядке, результатом доволен. Единственный недостаток (а может – фича!) – защелкивается, то есть после сработки требует полного отключения нагрузки. В принципе, это схема защиты от тока перегрузки, но при переполюсовке именно это и случается. Кстати, при нагрузке не на аккумулятор, а на резистор у меня почему-то сразу защелкивалась на защиту. С акком – нормально. Расчет максимального тока – напряжение на шунте и канале исток-сток должно быть 0.6в для срабатывания биполярника.

>>Единственный недостаток (а может – фича!) – защелкивается, то есть после сработки требует полного отключения нагрузки. достаточно кнопку сброса сделать с базы биполярника на землю

5. Защита электронных устройств от перенапряжения

Для защиты радиоэлектронного оборудования традиционно применяют плавкие предохранители. Обычно в них используют тонкие неизолированные проводники калиброванного сечения, рассчитанные на заданный ток перегорания. Наиболее надежно эти приспособления работают в цепях переменного тока повышенного напряжения. С понижением рабочего напряжения эффективность их применения снижается. Обусловлено это тем, что при перегорании тонкой проволоки в цепи переменного тока возникает дуга, распыляющая проводник. Предельным напряжением, при котором может возникнуть такая дуга, считается напряжение 30…35 6. При низковольтном питании происходит просто плавление проводника. Процесс этот занимает более продолжительное время, что в ряде случаев не спасает современные полупроводниковые приборы от повреждения.
Тем не менее, плавкие предохранители и поныне широко используют в низковольтных цепях постоянного тока, там, где от них не требуется повышенное быстродействие.
Там, где плавкие предохранители не могут эффективно решить задачу защиты радиоэлектронного оборудования и приборов от токовых перегрузок, их можно с успехом использовать в схемах защиты электронных устройств от перенапряжения.
Принцип действия этой защиты прост: при превышении уровня питающего напряжения срабатывает пороговое устройство, устраивающее короткое замыкание в цепи нагрузки, в результате которого проводник предохранителя плавится и разрывает цепь нагрузки.
Метод защиты аппаратуры от перенапряжения за счет принудительного пережигания предохранителя, конечно, не является идеальным, но получил достаточно широкое распространение благодаря своей простоте и надежности. При использовании этого метода и выбора оптимального варианта защиты стоит учитывать, насколько быстродействующим должен быть автомат защиты, стоит ли пережигать предохранитель при кратковременных бросках напряжения или ввести элемент задержки срабатывания. Желательно также ввести в схему индикацию факта перегорания предохранителя.
Простейшее защитное устройство [4.1], позволяющее спасти защищаемую радиоэлектронную схему, показано на рис. 4.1. При пробое стабилитрона включается тиристор и шунтирует нагрузку, после чего перегорает предохранитель. Тиристор должен быть рассчитан на значительный, хотя и кратковременный ток. В схеме совершенно не допустимо использование суррогатных предохранителей, поскольку в противном случае могут одновременно выйти из строя как защищаемая схема, так и источник питания, и само защитное устройство.

Рис. 4.1. Простейшая защита от перенапряжения

Рис. 4.2. Помехозащищенная схема защиты нагрузки от превышения напряжения

Усовершенствованная схема защиты нагрузки от превышения напряжения, дополненная резистором и конденсатором [4.2], показана на рис. 4.2. Резистор ограничивает предельный ток через стабилитрон и управляющий переход тиристора, конденсатор снижает вероятность срабатывания защиты при кратковременных бросках питающего напряжения.
Следующее устройство (рис. 4.3) защитит радиоаппаратуру от выхода из строя при случайной переполюсовке или превышении
напряжения питания, что нередко бывает при неисправности генератора в автомобиле [4.3].
При правильной полярности и номинальном напряжении питания диод VD1 и тиристор VS1 закрыты, и ток через предохранитель FU1 поступает на выход устройства.

Рис. 4.3. Схема защиты радиоаппаратуры с индикацией аварии

Если полярность обратная, то диод VD1 открывается, и сгорает предохранитель FU1. Лампа EL1 загорается, сигнализируя об аварийном подключении.
При правильной полярности, но входном напряжении, превышающем установленный уровень, задаваемый стабилитронами VD2 и VD3 (в данном случае — 16 Б), тиристор VS1 открывается и замыкает цепь накоротко, что вызывает перегорание предохранителя и зажигание аварийной лампы EL1.
Предохранитель FU1 должен быть рассчитан на максимальный ток, потребляемый радиоаппаратурой.
Элементы ГТЛ-логики обычно работоспособны в узком диапазоне питающих напряжений (4,5…5,5 Б). Если аварийное снижение питающего напряжения не столь опасно для «здоровья» микросхем, то повышение этого напряжения совершенно недопустимо, поскольку может привести к повреждению всех микросхем устройства.
На рис. 4.4 приведена простая и довольно эффективная схема защиты 7777-устройств от перенапряжения, опубликованная в болгарском журнале [4. 4]. Способ защиты предельно прост: как только питающее напряжение превысит рекомендуемый уровень всего на 5% (т.е. достигнет величины 5,25 Б) сработает пороговое устройство и включится тиристор. Через него начинает протекать ток короткого замыкания, который пережигает плавкий предохранитель FU1. Разумеется, в качестве предохранителя нельзя использовать суррогатные предохранители, поскольку в таком случае может выйти из строя блок питания, защищающий схему тиристор, а затем и защищаемые микросхемы.
Недостатком устройства является отсутствие индикации перегорания предохранителя. Эту функцию в устройство несложно ввести самостоятельно. Примеры организации индикации разрыва питающей цепи приведены также в главе 36 книги [1.5].

Рис. 4.4. Схема защиты микросхем ТТЛ от перенапряжения

Рис. 4.5. Схема устройства защиты от перенапряжения, работающего на переменном и постоянном токе

Схема устройства, которое в случае аварии в электросети защитит телевизор, видеомагнитофон, холодильник и т. д. от перенапряжения, приведена на рис. 4.5 [4.5].
Напряжение срабатывания защиты определяется падением напряжения на составном стабилитроне VD5+VD6 и составляет 270 Б.
Конденсаторы С1 и С2 образуют совместно с резистором R1 RC-цепочку, которая препятствует срабатыванию устройства при импульсных выбросах в сети.
Схема работает следующим образом. При напряжении в сети до 270 В стабилитроны VD3, VD4 закрыты. Также закрыты и тиристоры VS1, VS2. При действующем напряжении более 270 В открываются стабилитроны VD3, VD4, и на управляющие электроды тиристоров VS1, VS2 поступает открывающее напряжение. В зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения ток проходит либо через тиристор VS1, либо через VS2. Когда ток превышает 10 А, срабатывают автоматические выключатели (пробки, плавкие предохранители), отключая электроприборы от электросети. Нагрузка (на рисунке не показана) подключается параллельно тиристорам. Проверить работоспособность устройства можно с помощью ЛАТРа.
Устройство работоспособно и на постоянном токе.

Рис. 4.6. Схема релейного устройства защиты от перенапряжения с самоблокировкой

Устройство защиты от перенапряжения (рис. 4.6) выгодно отличается от предыдущих тем, что в нем не происходит необратимого повреждения элемента защиты [4.6]. Вместо этого при напряжении свыше 14,1 В пробивается цепочка стабилитронов VD1 — VD3, включается и самоблокируется тиристор VS1, срабатывает реле К1 и своими контактами отключает цепь нагрузки.
Восстановить исходное состояние устройства защиты можно только после вмешательства оператора — для этого следует нажать на кнопку SB1. Устройство также переходит в рабочий ждущий режим после кратковременного отключения источника питания. К числу недостатков данного устройства защиты относится его высокая чувствительность к кратковременным перенапряжениям.
Устройство (патент DL-WR 82992) [4.7], принципиальная схема которого приведена на рис. 4.7, может применяться для защиты нагрузки от недопустимо высокого выходного напряжения. В нормальных условиях транзистор VT1 работает в режиме, когда напряжение между его коллектором и эмиттером небольшое, и на транзисторе рассеивается небольшая мощность (ток базы определяется резистором R1). Сопротивление стабилитрона VD2 в этом случае большое и тиристор VS1 закрыт.

Рис. 4.7. Схема полупроводникового реле защиты нагрузки от перенапряжения

При возрастании напряжения на выходе устройства выше определенной величины через стабилитрон начинает протекать ток, который приводит к открыванию тиристора. Транзистор VT1 при этом закрывается, и напряжение на выходе устройства становится близко к нулю. Отключить защиту можно только отключением источника питания.
Описанное устройство должно включаться в выходную цепь стабилизаторов так, чтобы сигнал обратной связи подавался из цепи, расположенной за системой защиты. При номинальном выходном напряжении 12 В и токе 1 А в устройстве можно применить транзистор КТ802А, тиристор КУ201А — КУ201К, стабилитрон — Д814Б. Сопротивление резистора R1 должно быть 39 Ом (мощность рассеивания при отсутствии системы автоматики, отключающей стабилизатор от сети, составляет 10 Вт), R2 — 200 Ом, R3 — 1 кОм.

Схемы электронных предохранителей для защиты от КЗ и перегрузки по току

Эффективные средства защиты источников питания от КЗ и перегрузки по току на
мощных полевых переключающих МОП-транзисторах.
Плавный пуск (Soft Start) — нужен ли он блоку питания с быстродействующей защитой.

На странице (ссылка на страницу) мы познакомились с несколькими простыми схемами электронных предохранителей, предназначенных для работы в составе блоков питания. Главное назначение этих устройств — защита как самих БП, так и подключаемых к ним узлов от короткого замыкания (КЗ) или превышения тока, которое может возникнуть в них в силу той или иной причины.

Основными преимуществами таких устройств защиты (по сравнению с плавкими предохранителями) являются возможность введения регулировки тока срабатывания и высокое быстродействие, позволяющее в большинстве случаев предотвратить выход из строя электронного оборудования.
Основной недостаток, как не странно, тот же самый — высокое быстродействие, приводящее к ложным срабатываниям в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке значительной ёмкостной составляющей (например, могучих электролитов, часто являющихся обязательным атрибутом многих усилителей мощности).
Перемещение этих электролитов с выхода на вход электронного предохранителя во многих случаях приводит к положительному результату, однако, если мы хотим поиметь универсальный блок питания с возможностью работы с различными устройствами, в том числе и с электролитами на борту, приходится озадачиваться и таким прибамбасом, как плавный пуск (или Soft Start по буржуйски).

Давайте более подробно рассмотрим две, на мой взгляд, наиболее удачные схемы электронных предохранителей, бегло описанных на странице по ссылке.
Схема, приведённая на Рис.1, относится к устройствам с резистивным датчиком тока, позволяющим заранее произвести точный расчёт номиналов элементов, а также ввести плавную (посредством переменного резистора) или ступенчатую (посредством переключателя) регулировку тока срабатывания.

Рис.1 Схема электронного предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки по току

На элементах Т1 и Т2 выполнен транзисторный аналог тиристора со стабильным напряжением срабатывания ~ 0,6В. Ток срабатывания этого тиристора, а соответственно и всего предохранителя зависит от номинала резистора R4, который рассчитывается по формуле: R4 (Ом) ≈ 0,6/Iср (А).
При желании ввести в электронный предохранитель плавную регулировку тока срабатывания, R4 следует заменить на цепочку из последовательно соединённых: постоянного резистора, рассчитанного на максимальный ток, и проволочного переменного номиналом, рассчитанным под минимальный ток срабатывания.
Суммарная мощность, рассеиваемая на этих резисторах при максимальном токе, равна Р(Вт) ≈ 0,6 * Iср (А).

При включении блока питания и условии отсутствия в нагрузке недопустимых токов предохранитель автоматически устанавливается в рабочее (открытое) состояние. При превышении тока напряжение на R4 достигает уровня открывания Т1 и транзисторный эквивалент тиристора (Т1, Т2) срабатывает и притягивает уровень напряжения на затворе Т3 к напряжению на его истоке, что приводит к закрыванию полевика.
Для возврата электронного предохранителя в рабочее (открытое) состояние необходимо: либо выключить и снова включить источник питания, дождавшись, когда напряжение на его выходе упадёт до нуля, либо нажать кнопку сброса S1.

Если входное напряжение, подаваемое на предохранитель, не превышает 20В, то цепочку R1 D1 допустимо исключить, а нижний вывод R3 подключить к минусу.

Применение источника тока на полевом транзисторе Т4 обусловлено желанием обеспечить ток через светодиод Led1 (индикатор наличия выходного напряжения) на постоянном уровне, независимо от приложенного к предохранителю напряжения. Если электронный предохранитель предполагается использовать при фиксированном напряжении питания, то для простоты этот транзистор можно заменить резистором.

Посредством несложных манипуляций в приведённое выше устройство можно добавить функцию плавный пуск (Soft Start), позволяющую электронному предохранителю избегать ложных срабатываний в начальный момент включения источника питания при наличии в нагрузке электролитических конденсаторов значительной ёмкости. Рассмотрим получившуюся схему на Рис.2.

Рис.2 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (положительная полярность)

В начальный момент включения источника питания конденсатор С3 замыкает цепь затвора полевого транзистора Т3 на его исток, заставляя его находиться в закрытом состоянии. По мере заряда конденсатора напряжение на нём (а соответственно и разница потенциалов между истоком и затвором) плавно растёт, что приводит к постепенному открыванию полевика. Длительность данного переходного процесса (от полного закрытия до полного открывания) составляет 15…20 миллисекунд, чего вполне достаточно для значительного снижения стартовых токов заряда даже очень ёмких электролитов, расположенных в нагрузке.

Для того чтобы после срабатывания защиты вернуть предохранитель в рабочее состояние и сохранить функцию плавного пуска, необходимо не только сбросить транзисторный аналог тиристора, но и дождаться полного разряда конденсатора С3. В связи с этим кнопка сброса перенесена в цепь питания и выполняет функцию обесточивания всего устройства, а дополнительный резистор R7 ускоряет разряд С3 до комфортных 0,3…0,4 секунд.

Диод D3 выполняет функцию устранения выбросов отрицательной полярности, возникающих на конденсаторе С3 при размыкании S1, а D2 — функцию отсечения этого конденсатора от цепи затвора при срабатывании защиты, что позволяет обойтись без потери быстродействия предохранителя. Диоды могут быть любыми с допустимыми напряжениями, превышающими величину напряжения питания.

Включение датчика тока и коммутирующего транзистора в цепь питания (в нашем случае — в положительную цепь), а не земляную шину позволяет с лёгкостью осуществить релизацию защитного устройства для двуполярных источников. Приведём схему предохранителя и для отрицательной шины двуполяного блока питания.

Рис.3 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки (отрицательная полярность)

Всем хороши эти устройства защиты с резистивными датчиками, особенно для цепей с умеренными токами (до 10А). Однако если возникает необходимость предохранять устройства, для которых рабочими являются токи в несколько десятков, а то и сотен ампер, то мощность, рассеиваемая на резистивном датчике, может оказаться чрезмерно высокой. Так, при максимальном токе в нагрузке равном 20А, на резисторе рассеется около 12Вт, а при токе 100А — 60Вт.
Уменьшать уровень срабатывания электронного предохранителя (скажем до 100мВ) посредством введения в схему чувствительного элемента ОУ или компаратора — не самая хорошая затея, ввиду того, что помехи, гуляющие по шинам земли и питания, в сильноточных цепях могут превышать эти пресловутые 100мВ. В таких ситуациях приходится искать другие решения.
Датчик магнитного поля — геркон и несколько сантиметров толстого провода могут стать выходом из положения в источниках питания с максимальными токами вплоть до десятков и сотен ампер.

Рис.4 Датчик тока на герконе

При прохождении тока через обмотку, намотанную поверх датчика (Рис. 4), внутри неё возникает магнитное поле, которое приводит к замыканию контактов геркона.
Намотав обмотку из десяти (или любого другого количества) витков и измерив ток срабатывания геркона, можно масштабировать это значение на любой интересующий нас ток.
Так например, если геркон КЭМ-1 при десяти витках замыкается при токе через обмотку около 15А, то, намотав 2 витка, мы увеличим ток срабатывания в 5 раз, т. е. до 75 А, а перемещая геркон внутри катушки, сможем регулировать это ток в некоторых пределах вплоть до 85…90 А.
К достоинствам герконов также можно отнести и относительно высокое быстродействие. Время срабатывания у них, как правило, не превышает 1…2 миллисекунд.
Всё, что теперь остаётся — это нарисовать триггерную схему мощного транзисторного ключа, управляемого герконовым токовым датчиком.

Рис.5 Электронный предохранителя для защиты от КЗ и перегрузки с датчиком тока на герконе

Схема, приведённая на Рис. 4, довольно универсальна и позволяет осуществлять защиту устройств от перегрузки в широком диапазоне входных напряжений (9…80 вольт) без изменения номиналов элементов.
Устройство состоит из транзисторной защёлки, выполненной на элементах Т1 и Т2, и находится в устойчивом состоянии до момента подачи на базу транзистора Т2 короткого положительного или отрицательного импульса.
Для того, чтобы включить электронный предохранитель необходимо нажать на нефиксируемый включатель S1, подав на базу Т2 импульс положительной полярности.
Срабатывает защита от импульса отрицательной полярности, который формируют контакты геркона SF1.
Мощный P-канальный полевой транзистор Т1 следует выбирать с некоторым запасом, исходя из тока срабатывания электронного предохранителя. Если транзистор не удовлетворяет токовым и мощностным характеристикам — допустимо использовать параллельное включение нескольких полупроводников.
Цепочка D1 R6 защищает полевик от недопустимых уровней Uзи при входных напряжениях свыше 20В. Если предохранитель предполагается использовать с меньшими подаваемыми напряжениями, то эту цепочку вполне допустимо исключить.

 

Плата защиты от переполюсовки своими руками — Гаджеты. Технологии. Интернет

Приветствую, Самоделкины!
Как известно, многие самодельные, а также фабричные устройства часто не имеют защиты от не правильного включения полярности питания, иными словами не имеют защиты от переполюсовки питания. В частности, это относится к разным самоделкам, а также к готовым устройствам, усилителям звука, врезным звуковым модулям и т.д.

Любой пользователь, по невнимательности случайно может перепутать полярность питания, после чего в подавляющем большинстве случаев устройству может потребоваться срочная помощь в виде ремонта. А может случиться даже так, что устройство после таких издевательств просто-напросто придет в негодность, и никакой ремонт уже на поможет вернуть его к жизни.

Для того, чтобы избежать такой неприятной ситуации, следует использовать защиту от переполюсовки. Они бывают разные. Один из популярных вариантов — это применение по питанию диодов или диодных мостов, которые способны пропускать ток только в одном направлении и тем самым предотвращая вероятность переполюсовки. Это довольно бюджетное и наиболее простое решение. Но есть и минус у такого метода защиты, а именно, наличие падения напряжения на диоде. Не стоит забывать также то, что при больших токах и наличии падения напряжения, диоды довольно неслабо нагреваются и если не использовать охлаждение, то они могут выйти из строя.

Могут понадобиться

L298N контроллер шагового двигателя
LM317 регулируемый стабилизатор напряжения и тока
Модуль питания с выходным напряжением 3,3 вольта
5 осевой ЧПУ адаптер Breakout для драйвера шагового двигателя Mach4
Контроллер Arduino UNO

Например, на данном усилителе звука с микросхемой TDA7377 установлен диодный мост.

В данном случае в первую очередь он используется здесь как выпрямитель напряжения при питании от источника тока с переменным напряжением. А вот если устройство подключить к источнику питания с постоянным напряжением, то данный диодный мост работает именно как защита от переполюсовки. И как бы мы не подключали аккумулятор, диодный мост предотвратит переполюсовку, пропуская ток в правильном направлении.

А если бы вместо диодного моста был просто диод по плюсу, то при неправильном подключении питания (переполюсовке) диод не пропустит ток и усилитель просто не включится.

Но, как говорилось выше, и диодного моста и диод имеют падение напряжения. Чтобы это продемонстрировать, автор YouTube канала «Radio-Lab» произвел замер напряжения до и непосредственно после диодного моста.

Как видим, напряжение на аккумуляторе составляет 12,06В, а уже после диодного моста напряжение примерно на 1,5В ниже. Вроде бы потери не такие уж и большие, но это в свою очередь повлияет на мощность усилителя, в итоге она будет немного ниже и часть энергии аккумулятора пойдет на нагрев диодного моста.

Давайте рассчитаем потери и тепловыделение на диодном мосту. Например, при токе нагрузки 2А и падении напряжения на диодном мосту в 1,5В, тепловыделение на диодном мосту составит порядка 3Вт. А дополнительные потери не есть плюсом, особенно при питании усилителя звука или другого устройства от аккумулятора, где энергию желательно тратить экономно и ее количество в аккумуляторе ограничено.

Вот для сравнения падения напряжения на обычном диоде:

Как видим оно составляет около 0,4В. На диоде Шоттки падение напряжения уже ниже и составляет 0,2В.

Падение напряжения на диодном мосту самое большое и составляет 0,6В.

Во время нагрузки, падения напряжения могут быть немного выше. По сути, перепутать полярность питания можно не часто, зато потеря при наличии падения на диодах или диодном мосту буду постоянными и как следствие будет нагрев, что в свою очередь ведет к необходимости в охлаждении. Как видим, диоды в качестве защиты от переполюсовки использовать можно, они работают, но хочется все же защиту получше, чтобы не было нагрева, потери были минимальными, и хорошими рабочими токами.
Автор предлагает одну простую, но довольно хорошую схему защиты от переполюсовки по питанию на мощном полевом транзисторе.

Данная схема подойдет для защиты устройств с однополярным питанием. Силовой транзистор полевой — IRF1405 мощный N-канальный.

Такой транзистор способен коммутировать достаточно большой ток и в свою очередь имеет довольно небольшое сопротивление, из-за чего падение напряжения практически не будет, а, следовательно, практически полностью будет отсутствовать нагрев, или он будет минимальным, не будет таких потерь, как на диодах.

Автор нарисовал для данной схемы защиты вот такую миниатюрную платку.

Работа схемы предельно проста: если все правильно подключено, транзистор открыт, и ток проходит через транзистор.

При не правильном подключении полярности питания транзистор закрывается, тем самым создавая разрыв в цепи питания и попутанный плюс дальше транзистора не проходит.

На радиорынке были куплены все необходимые детали для сборки платы защиты.

В первую очередь автор устанавливает резистор 100кОм на место и припаивает его.

Дальше займемся установкой стабилитронов на 15В 0,5Вт, обязательно соблюдая полярность по меткам катодов.

Далее установка неполярный конденсатор емкостью 0,1мкФ.

Теперь клеммники на вход и выход питания.

Плата практически готова, остался всего один элемент — силовой транзистор. Для его установки автор согнул ножки транзистора — вот так:

И установил его на свое место. Получилась вот такая небольшая и удобная плата защиты от переполюсовки по питанию для усилителей и устройств с однополярным питанием. Однополярное питание — это где есть два провода питания: плюс и минус.

После окончания пайки плату необходимо помыть от остатков флюса, чтобы все было чисто и красиво.

А теперь давайте проверим работоспособность собранной нами платы защиты. Для проверки платы подключим к ее входу аккумулятор с напряжением питания 12,1В. К выходу платы автор подключил щупы мультиметра. Сначала подключаем аккумулятор правильно, соблюдая полярность.

Как видите, на выходе платы есть напряжение, а падение напряжения такое низкое, что мультиметр его не замечает.
Теперь меняем полярность питания и подключаем аккумулятор, перепутав плюс с минусом.

Как видим, транзистор закрылся, плата защиты сработала и уже ничего не пропускает, тем самым защищает устройство (в данном примере мультиметр) от переполюсовки. Если снова подключить питание правильно, то транзистор откроется и на выходе платы появится напряжение аккумулятора. Отлично, плата работает.
После того, как мы протестировали самодельную плату и убедились в ее работоспособности, можно подключать плату защиты к усилителю звука. Усилитель будем использовать самый простой на микросхеме TDA7377 без какой-либо защиты от переполюсовки, и если спутать полярность питания, то, как минимум взорвется полярный конденсатор по питанию и сгорит микросхема.

Плата защиты подключается в разрыв плюса и минуса питания усилителя, на котором существует вероятность переполюсовки. Провода питания выходящие с платы защиты к плате усилителя обязательно подключаем соблюдая полярность.

Все, теперь наш усилитель имеет защиту, и переполюсовка ему не страшна. Подключаем питание правильно.

Как видим, светодиод на усилителе засветился, все хорошо, питание усилителя есть. А теперь, подключаем питание перепутав полярность.

Как видим, ничего не задымило и светодиод на плате усилителя не светится, следовательно, питание на усилитель не поступает, а значит наша самодельная плата защиты работает и свою задачу полностью выполняет.

Эту плату можно использовать для защиты от переполюсовки усилителей звука с однополярным питанием, в том числе и усилителей D класса тоже, портативных колонок и многих других устройств. Помните, если есть хоть малейшая вероятность перепутать полярность питания, то в нужный момент, как минимум, защита от переполюсовки сохранит вам деньги и защитит ваше изделие от случайной переполюсовки и как следствие поломки.

Важно также понимать, что в одних случаях удобнее использовать диоды или диодный мост как защиту от переполюсовки, а в других собранную плату защиты, это уже надо смотреть по задачам. Пробуйте, собирайте и повторяйте. Архив с платой можно скачать ЗДЕСЬ.
Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:

 

 

Иллюстрированный самоучитель по схемотехнике › Устройства и элементы защиты аппаратуры и человека [страница — 16] | Самоучители по инженерным программам

Устройства и элементы защиты аппаратуры и человека

Однако они имеют одну неприятную особенность: на первой из них теряется 0.7 В «прямого» напряжения на диоде, на второй – вдвое больше. Кроме того, при использовании этих схем после стабилизаторов коэффициент стабилизации заметно снижается.

Достоинством схемы (рис. 3.4) является то, что при подключении источника питания можно не заботиться о полярности его подключения.

Наиболее совершенной для защиты от переполюсовки при напряжении источника питания до 15 б стоит считать схему Р. Пиза [3.1]. В схеме использован полевой транзистор, имеющий малое падение напряжения на канале в открытом состоянии. В качестве такого транзистора могут быть использованы /WO/7-транзисторы с индуцированным каналом с обогащением, например, IRF510, IRF511, IRF512, IRF513 или более современные.

Рис. 3.5. Защита нагрузки от переполюсовки на полевом транзисторе

Рис. 3.6. Схема светозвукового индикатора отключения нагрузки

Второй проблемой при взаимодействии источника питания и нагрузки является работа источника питания без нагрузки. Для ряда современных устройств, например, импульсных блоков питания, работа без нагрузки зачастую недопустима. Не допускается эксплуатация без нагрузки и феррорезонансных стабилизаторов напряжения.

Достаточно часто телевизоры и иную аппаратуру питают от сети через промежуточные феррорезонансные стабилизаторы. При отключении телевизора иногда стабилизатор отключить забывают, он работает без нагрузки и быстро может выйти из строя.

Для предотвращения подобных ситуаций Ю. Прокопцев [3.2] разработал устройство, позволяющее косвенным образом защитить стабилизатор (рис. 3.6). При отключении телевизора от сети включается схема индикации работы стабилизатора без нагрузки, напоминая звуковым сигналом о необходимости обесточить оборудование.

Датчиком тока нагрузки служат цепочки диодов VD1 – VD6. При включении нагрузки открывается транзистор VT1, шунтирующий цепь управления транзистором VT2. Реле К1 МКУ-48 обесточено. При отключении нагрузки транзистор VT1 закрывается, транзистор VT2 – открывается. Реле К1 оказывается подключенным к сети переменного тока через диод VD7. Реле используется не по своему основному назначению, хотя легко было предусмотреть и эту функцию, а именно простого отключения стабилизатора. При протекании через его обмотку пульсирующего тока реле издает громкий треск, привлекающий внимание и сигнализирующий о том, что стабилизатор следует отключить.

В защитном устройстве также предусмотрен визуальный контроль наличия напряжения на реле – это индикатор HL1 на неоновой лампе ТН-0.3 или ИНС-1. Порог зажигания лампы регулируют резистором R4.

Схема защиты от короткого замыкания

Короткое замыкание — это непреднамеренное соединение между двумя клеммами, которые подают питание на нагрузку. Это может произойти как в цепи переменного, так и постоянного тока, если это источник переменного тока, то короткое замыкание может привести к отключению источника питания всей области, но на многих уровнях, от электростанции до дома, есть предохранители и схемы защиты от перегрузки. А если это источник постоянного тока, например аккумулятор, он может нагреть аккумулятор, и аккумулятор очень быстро разрядится.В некоторых случаях аккумулятор может взорваться. Существует множество способов защиты цепи от короткого замыкания, и для защиты от перегрузки доступно множество типов предохранителей.

Мы собираемся разработать и изучить простую схему защиты от короткого замыкания низкого напряжения для постоянного напряжения . Схема разработана с целью безопасной работы схемы микроконтроллера и может защитить ее от повреждения из-за короткого замыкания в другой части схемы.

Необходимые компоненты

• СК100Б Транзистор ПНП — 1 шт.
• BC547B Транзистор NPN — 1 шт.
• Резистор 1 кОм — 1 шт.
• Резистор 10 кОм — 1 шт.
• Резистор 330 Ом — 2 шт.
• Резистор 470 Ом — 1 шт.
• Источник питания 6 В постоянного тока — 1 шт.
• Макетная плата — 1 шт.
• Соединительные провода — согласно требованию

SK100B PNP Транзистор

Начиная с выемки транзистора — эмиттер, середина — база, а последняя — коллектор

• Излучатель — E
• База — B
• Коллектор — C

BC547B Транзистор NPN

Схема защиты от короткого замыкания

Типичный пример короткого замыкания — это когда положительный и отрицательный полюсы батареи соединены вместе с проводом с низким сопротивлением, например, проводом.В этом состоянии аккумулятор может загореться и даже взорваться. Так часто бывает с мобильными батареями в мобильных устройствах.

Чтобы избежать этого состояния короткого замыкания, используется схема защиты от короткого замыкания . Схема защиты от короткого замыкания отклонит ток или прервет контакт между цепью и источником питания.

Иногда при использовании неисправной бытовой техники, такой как духовка, утюг и т. Д., Случается сбой в электросети с внезапной искрой.Причина этого в том, что где-то в неисправном приборе протекает избыточный ток. Это может привести к поражению электрическим током или вызвать возгорание дома, если он не защищен. Поэтому во избежание такого повреждения используется предохранитель или автоматический выключатель . В таком состоянии автоматический выключатель или предохранитель отключает основное питание в доме. Цепь предохранителя-выключателя также представляет собой схему защиты от короткого замыкания , , в которой используется провод с низким сопротивлением, который плавится и отключает основной источник питания в доме всякий раз, когда через него проходит избыточный ток.

Итак, здесь мы собираемся изучить и спроектировать схему, чтобы избежать повреждения из-за короткого замыкания в ней.

Схема

Работа цепи защиты от короткого замыкания

Выше показана простая схема защиты от короткого замыкания постоянного тока с низким энергопотреблением, которая состоит из двух транзисторных схем, одна из которых представляет собой транзисторную схему BC547 NPN, а другая — транзисторную схему SK100B PNP.Вход подается в схему с помощью источника питания 5 В постоянного тока, который может быть обеспечен либо батареей, либо трансформатором.

Работа схемы проста, когда горит зеленый светодиод D1, это означает, что схема работает нормально и риск повреждения отсутствует. Красный светодиод D2 должен гореть только при коротком замыкании.

При включении источника питания транзистор Q1 смещается и начинает проводить ток, а светодиод D1 загорается.В это время красный светодиод D2 не горит из-за отсутствия короткого замыкания.

Свечение зеленого светодиода D1 также указывает на то, что напряжение питания и выходное напряжение примерно равны.

В нашей схеме стимуляции мы сгенерировали «короткое замыкание» с помощью переключателя на выходе. Когда происходит «короткое замыкание», выходное напряжение падает до 0 В и Q1 перестает проводить, так как его базовое напряжение равно 0 В. Транзистор Q2 также перестает проводить, поскольку напряжение на его коллекторе также упало до 0 В.

Итак, теперь ток начинает течь через КРАСНЫЙ светодиод D2 и проходит через землю по короткому замыканию (через переключатель).Это приводит к тому, что красный светодиод D2 начинает проводить, поскольку он смещен в прямом направлении, и указывает на то, что было обнаружено короткое замыкание, и ток отводится через красный светодиод D2 вместо повреждения всей цепи.

Схема смены полярности — определение

Примеры предложений с «схемой смены полярности», память переводов

Patents-wipo Схема реверсирования полярности для систем электростатических фильтров и электрическая сеть транспортного средства, имеющая схему защиты от обратной полярности. цепь переключения полярности (2), цепь стартера (3) и контроллер (4).Схема обработки видеосигнала (102) включает в себя схему проявления фазы (103), схему изменения полярности (104), цифро-аналоговые преобразователи с первого по шестой (111-116) и операционные усилители с первого по шестой (151- 156) .patents-wipoЦентральная схема защиты от переполюсовки для бортовой системы питания транспортного средства Настоящее изобретение относится к центральной схеме защиты от смены полярности для бортовой системы питания транспортного средства.Патенты-wipo Схема изменения полярности (50) изменяет полярность постоянного тока постоянного напряжения, приложенного к термоэлектрическим устройствам, для реверсирования теплового насоса термоэлектрических устройств в ситуации, когда воздух в корпусе (20) необходимо нагревать. Изобретение относится к схеме защиты от переполюсовки, в которой полупроводниковый переключатель (11) включен параллельно относительно диода защиты от переполюсовки (10). входного фильтра и схемы защиты от обратной полярности.Патенты-wipo Схема защиты от обратной полярности для силового выходного каскада, по крайней мере, с одним полупроводниковым переключателем highsidepatents-wipoСхема защиты от неправильной полярности (10) для электрической нагрузки (12) содержит выходной каскад (26), схему повышения напряжения (24) и схему (22) источника питания согласно изобретению. Схема переключения полярности (204), содержащая переключающие транзисторы (220, 221) и мультивибратор (230) рабочего цикла 50%, переключается между более низким напряжением постоянного тока с частотой меньше менее 10 Гц, чтобы избежать опасности поражения электрическим током, связанной с нормальным переменным током, при достаточно частом изменении, чтобы избежать проблем электролиза и коррозии, связанных с использованием постоянного тока (DC), кабельный отвод (115) должен быть обеспечен восходящей линией связи к устройству управления сигналом.Цепи управления WikiMatrixPhase могут быть простым переключателем с изменением полярности или более сложными цепями с плавным регулированием. Patents-wipo Схема защиты (308) включает схему защиты от обратной полярности, подключенную к выходу источника питания, которая электрически изолирует выход источника питания от схемы полевого устройства в реакция на соединение обратной полярности между выходом источника питания и схемой полевого устройства. Патенты-WIPO Изобретение относится к трансформатору постоянного напряжения, который содержит понижающий прерыватель (3), перед которым находится схема защиты от обратной полярности (1) и входной фильтр (2) подключены.Патенты-wipo Конфигурация схемы для защиты полупроводниковых цепей от обратной полярности. защита от переполюсовки

Показаны страницы 1. Найдено 93 предложения с фразой схема смены полярности.Найдено за 11 мс.Накопители переводов создаются человеком, но выравниваются с помощью компьютера, что может вызвать ошибки. Найдено за 1 мс.Накопители переводов создаются человеком, но выравниваются с помощью компьютера, что может вызвать ошибки.Они поступают из многих источников и не проверяются. Имейте в виду.

Как работают транзисторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами — крошечные переключатели, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «мозговых клеток». Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке.Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что они такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри.(Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки.Вы можете ясно видеть четыре маленьких задних транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в небольшой динамик, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост — и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

• Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другой.Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию звуков вокруг вас. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, затраченную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
Транзисторы
• также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. За например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы выяснить, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какая часть, что и как вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон — это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Работают самые современные транзисторы контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Транзисторы сделаны из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающего электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, останавливающего ток электричества).Если мы обрабатываем кремний с примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому путь. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны — те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Быстро, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральными — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием теория полос, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают лишние свободных электронов — те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Сэндвичи кремниевые

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поставьте электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся от тока, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанное здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеев на стереооборудовании Hi-Fi.

Принцип работы переходного транзистора

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче вместо из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоедините электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы назовем базой.Когда нет ток протекающий в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюс, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделайте эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. И транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или «полярностей») электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, электроны движутся в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны текут по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» пропускает ток и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным транзистор потому что только один («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток чтобы включить больший. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя «вводные» (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас в коридоре, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины «. Это пример булевой алгебры, использующей так называемое И «оператор» (слово «оператор» — это просто математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто » пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь И я есть зонтик ИЛИ у меня пальто, тогда можно выйти на улицу «. Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен при отсутствии базы. ток и переключается на «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы можно подключить к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такое расположение известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы — это основная технология микросхем памяти компьютера.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, изложенный в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2,524,035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 г. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих американских физиков: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США — но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 г. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он в ярости и волнении из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора — устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

Пока Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились ведущей мировой наукой награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

границ | Световой транзистор (ЛПЭ) с несколькими независимыми элементами управления стробированием для оптических логических вентилей и оптического усиления

Введение

В качестве основных строительных блоков электроники функция первичного переключения полевого транзистора (FET) широко используется как в логических микросхемах, так и в микросхемах памяти.Типичный полевой транзистор представляет собой трехконтактное устройство, состоящее из контактов истока ( S ), стока ( D ) и затвора ( G ), где проводимость SD модулируется для реализации включенного и выключенного состояний путем применения напряжение или приложенное электрическое поле через G [1]. Хотя полевые транзисторы структурно эволюционировали от ранней плоской до их нынешней трехмерной геометрии параллельно с постоянным уменьшением его поперечного размера, основной принцип работы остался прежним.Это привело к еще большей сложности изготовления и, в конечном итоге, к проблемам при изготовлении затворов и контроле допинга [2–6]. Различные новые технологии, такие как FinFET [4, 7] и туннельные полевые транзисторы [8], были разработаны в последние годы, чтобы обеспечить продолжение закона Мура [9], но дальнейшее развитие текущих технологий остается неопределенным [10]. В качестве альтернативы исследуются другие варианты, которые включают полевые транзисторы на основе полупроводниковых нанопроволок (SNW) [11–13], полевые транзисторы, состоящие из двумерных материалов [14, 15], и полевые транзисторы со сложной структурой затвора [16], такие как несколько независимых затворов [ 5, 6] или затвор с внедренным сегнетоэлектрическим материалом [17].Однако не существует четкого пути для преодоления внутренних физических ограничений полевого транзистора [18–20], продиктованных его механизмом работы, такими как случайные флуктуации примеси [3] и сложности изготовления затвора [21], и в настоящее время не существует жизнеспособной конкурирующей технологии. Мы предлагаем конкурентоспособную альтернативу с дополнительными уникальными функциями. Световой транзистор (LET) представляет собой двухконтактное устройство, состоящее из структуры металл-полупроводник-металл (MSM), где каждый переход MS служит контактом S или D , а два контакта разделены каналом на основе полупроводниковой наноструктуры.На рисунке 1 сравниваются структуры LET и FET на основе SNW, чтобы показать очевидную структурную простоту, предлагаемую LET — никакого физического затвора не требуется. Механизм работы LET явно отличается от FET в двух отношениях: (i) проводимость S — D модулируется исключительно светом или электромагнитным полем оптической частоты, в отличие от электростатического управления FET посредством приложенного напряжения постоянного тока; и (ii) носители тока генерируются за счет оптического поглощения, а не за счет термической активации примесей.Другими словами, LET использует оптическое стробирование, основанное на хорошо известном механизме фотопроводимости [22], который обычно представлял интерес для фотодетектирования. Неотъемлемые преимущества проистекают из упрощенной архитектуры LET, которая включает в себя (i) устранение сложности изготовления затвора и (ii) избежание трудностей с контролем допинга. Эти атрибуты устраняют две основные проблемы или внутренние ограничения для уменьшения масштаба обычных полевых транзисторов до квантового режима [23], и они предлагают потенциал для снижения затрат на изготовление.В то время как самое основное приложение LET имитирует полевой транзистор, когда он работает при однолучевом освещении (как в фотодетекторе), он предлагает функции, недоступные для полевого транзистора [24] или фотодетектора [25, 26], когда он работает не так, как обычный фотодетектор (например, реагируя на несколько независимых световых лучей).

Рис. 1. Схематическое сравнение полевого транзистора (FET) на основе полупроводниковых нанопроволок (SNW) и светоэффектного транзистора (LET) . (A) FET — это трехполюсное устройство, в котором исток-сток, ток S — D , управляется напряжением S — D и может модулироваться через затвор ( G ) напряжение, подаваемое через его контакт G . (B) LET — это устройство с двумя выводами, в котором ток S — D модулируется одним или несколькими независимо управляемыми световыми лучами, соединенными вместе через оптический сумматор. Цветовые коды: SNW — красный, контакты S, и D — зеленый, контакт G — желтый, а диэлектрик затвора (под контактом G ) — голубовато-серый.Окрашенные в синий цвет наконечники SNW за контактами S и D указывают на различные типы легирования полевого транзистора вдоль проводящего канала SNW. Предполагается, что эти устройства опираются на изолирующую подложку.

Изменения электропроводности, вызванные светом, — это хорошо известное явление, обычно используемое для фотодетектирования. Фактически, устройства SNW, структурно похожие на нашу ЛПЭ, исследовались как фотодетекторы [25, 26]. На первый взгляд может показаться, что LET просто использует функцию переключения фотодетектора для имитации полевого транзистора.В действительности, большинство фотодетекторов не обладают желаемыми характеристиками, подобными полевому транзистору, и поэтому не подходят для использования с ним. Поэтому важно понимать разницу между фотодетектором, LET и FET, чтобы оценить новизну LET. Фотодетектирование обычно основывается на устройстве на основе p-n-перехода, поскольку оно обычно обеспечивает превосходные характеристики по сравнению с более простым устройством M-S-M, основанным на механизме фотопроводимости. Это происходит из-за структуры M-S-M, обычно требующей большего смещения для пропуска несущих через область S [1, 22].Обратите внимание, что фотодетектор на основе p-n-перехода имеет совершенно другую ВАХ при освещении, чем фотопроводящий, и только последний может давать световой ВАХ, напоминающий ВАХ полевого транзистора с включенным напряжением затвора. Недостаток фотопроводящего режима устраняется уменьшением габаритов устройства, что продемонстрировано фотодетекторами на основе SNW [25, 26] и приложением LET в этой работе. Его структурная простота должна обеспечить дополнительные преимущества в реальном наномасштабе. Отметим, что структуры фотодетекторов, которые трудно допировать, могут также использовать структуру М-С-М [1, 22].Следовательно, LET не использует новую структуру или механизм устройства. Его новизна связана с его строгими электрическими и оптическими характеристиками, которые могут (i) воспроизвести базовую функцию переключения современного полевого транзистора с конкурентоспособными (и потенциально улучшенными) характеристиками, и (ii) обеспечить новые функции, недоступные в современных полевых транзисторах и не предлагаемые традиционными фотографиями. -детекторы. В режиме однолучевого освещения ЛПЭ дает высокое соотношение включения / выключения при оптическом стробировании, которое напоминает полевой транзистор с управлением затворным напряжением или фотодетектор с высоким коэффициентом усиления фотопроводимости.Несмотря на это сходство, LET следует характеризовать соответствующим параметром полевого транзистора, известным как «подпороговое колебание», который измеряет, сколько действий затвора требуется для включения устройства, и обычно не представляет интереса в приложениях для обнаружения фото. При одновременном многолучевом освещении, которое обычно не имеет отношения к фото-детектированию, возможность множественного независимого стробирования позволяет LET демонстрировать ранее не сообщаемые функции, такие как оптические логические ( И и ИЛИ ) вентили и оптическое усиление в качестве аналогового применение.Напротив, множественное независимое стробирование было очень сложной задачей для полевых транзисторов [6]. Эти уникальные функции представляют большой интерес для оптических вычислений и новых оптических детекторов. Таким образом, новизна ЛЭТ по сравнению с фотодетекторами двойная. Во-первых, электрические характеристики ЛПЭ очень отличаются от фотодетекторов, поскольку фотодетекторы обычно не исследуются на предмет электронных функций полевых транзисторов. Во-вторых, ЛПЭ используют свой многолучевой отклик, а фотодетектор — нет.По сравнению с полевыми транзисторами, механизм стробирования LET явно отличается от полевого транзистора, который легко обеспечивает возможность использования нескольких вентилей LET и позволяет LET предлагать функции, выходящие за рамки типичных FET. Кроме того, частотная характеристика или скорость переключения LET ограничена временем прохождения несущей через проводящий канал. Хотя этот эффект характерен для полевого транзистора, его отклик ограничен емкостью его затвора.

В этой работе мы используем легко доступные SNW CdSe [27, 28], чтобы продемонстрировать концепцию и функции LET.Сначала мы охарактеризуем материал и устройства, а затем исследуем эффекты однолучевого оптического стробирования с разными длинами волн и мощностью лазера ( P _g ( λ _g ) ), проявляющиеся в обоих выходная характеристика ( I _ds — V _ds ) и передаточная характеристика ( I _ds — P _{g).Наконец, мы управляем LET, применяя несколько независимых лучей, чтобы продемонстрировать новые функции устройства, которые недостижимы в обычных полевых транзисторах, таких как оптические логические вентили и оптическое усиление.}

Материалы и методы

Синтез нанопроволок и изготовление устройств

Нанопроволоки

CdSe были выращены в виде вертикального массива посредством химического осаждения из паровой фазы, катализируемого золотом, как описано в другом месте [27], а затем были диспергированы в спирте и отлиты по капле на чип Si / SiO ₂ , который состоит из подложки Si, покрытой слой SiO ₂ толщиной 300 нм.После того, как нанопроволоки CdSe были диспергированы на чипе, тонкий слой полиметилметакрилата (ПММА) был нанесен методом центрифугирования на чип с последующей электронно-лучевой литографией для открытия каналов на концах нанопроволоки. Открытый PMMA был удален проявлением чипа. После этого чип переносили в термический испаритель (Cressington-308R) для металлизации индием (30 нм) с последующим снятием в ацетоне для получения готового устройства. Другой конец индиевой проволоки был прикреплен к большой золотой площадке, используемой для размещения покрытого золотом электрического зонда.Перед испытанием образцы стабилизировали воздухом в течение не менее недели.

Описание LET

Оптическое стробирование через P _g ( λ _g ) имеет два основных управляющих параметра: длину волны λ _g и уровень мощности P g ₉₀ , в однолучевом режиме CW, но его можно легко расширить на другие режимы работы. Например, несколько независимых лучей и импульсное освещение могут быть представлены как P _g ( λ _{g 1} , λ _{g 2} ,… , λ

14 gN ) и P _g (t , λ _{g 1} , λ _{g 2} ,… , λ _gN соответственно)Мы полностью охарактеризовали выходные и передающие характеристики ЛПЭ в режиме однолучевого CW с двумя условиями освещения: (i) освещение центра SNW сфокусированным лазером CW («сфокусированное освещение») с размером пятна, ограниченным оптической дифракцией, на длинах волн 633, 532, 442 или 325 нм; и (ii) равномерное освещение ЛПЭ «белым светом» галогенной лампы («равномерное освещение»).

Новая концепция LET требует показателей производительности для оценки и сравнения с полевыми транзисторами; таким образом, показатели качества полевого транзистора адаптируются, например, два важных отношения ввода-вывода: (i) « выходные характеристики » или I _ds vs. В _ds в условиях постоянного освещения P _g ( λ _g ) , что эквивалентно выходной характеристике полевого транзистора при постоянном напряжении затвора В _г ; и (ii) « передаточные характеристики » или I _ds по сравнению с P _g ( λ _g ) при постоянном V ds , что эквивалентно полевому транзистору I _ds vs. В _г при постоянном В _ds . Напряжение затвора полевого транзистора, В _г , заменяется мощностью затвора ЛПЭ P _г ( λ _г ) , который не только выполняет ту же функцию модулирующий проводимость S — D , но также предлагает возможность для достижения новых функций, помимо тех, что в полевом транзисторе. Характеристика (i) является общей для приложений LET и фотообнаружения, в то время как характеристика (ii) требуется для LET и FET как мера энергии включения и, в частности, для LET для реализации новых функций.

Оптические и электрические измерения

I _ds в сравнении с V _{ds Измерения были получены с помощью низковольтного источника напряжения Keithley ^® 2401 ^® , который удаленно управлялся программным обеспечением LabTracer v2.9 через соединение GPIB. Для токов ниже ~ 1 нА использовался предварительный усилитель тока Stanford Research System SR570 в сочетании с Keithley ^® . Источники освещения — галогенные лампы, 532, 441.Лазеры с длиной волны 6 и 325 нм пропущены через конфокальную рамановскую систему Horiba LabRAM HR800 с внутренним лазером 632,8 нм. Из-за ограниченного расстояния между датчиками для электрических измерений все источники освещения фокусировались через объектив с 50-кратным увеличением рабочего расстояния (LWD) ( NA, . = 0,50), за исключением 325 нм, который проходил через объектив с 10-кратным увеличением MPLAN ( NA ). = 0,25). Мощность лазера была ограничена до абсолютной мощности ~ 3 мкВт, измеренной на стороне образца линзы микроскопа, чтобы избежать возможных модификаций материала, вызванных лазером.Мощность лазера изменялась с помощью комбинации стандартного фильтра нейтральной плотности в рамановской системе и регулируемого фильтра нейтральной плотности на лазерном пути. Мощность лазера измерялась с помощью измерителя мощности Thor Labs PM100D, и для вычисления средней мощности использовались шесть и десять усредненных измерений для D1 и D2 соответственно. Общая мощность галогенного света составила 69,1 мкВт.}

Расчетная фактическая потребляемая мощность

Размер лазерного пятна оценивается по формуле 1 предела оптической дифракции.22λ / N.A ., Где N.A . — числовая апертура линзы микроскопа. Доля фактически поглощенной мощности лазера оценивается отношением диаметра нанопроволоки к размеру лазерного пятна. Расчетные отношения для лазеров с длиной волны 632,8, 532, 441,6 и 325 нм составляют 5,18, 6,16, 7,43 и 10,1% для нанопроволоки диаметром 80 нм (устройство D1). Для галогенного освещения доля фактически поглощенного света оценивается с помощью отношения поперечного сечения нанопроволоки к общей площади освещения.Для объектива 50x LWD (10x MPLAN) площадь освещения составляет ~ 279 (~ 1450) мкм ² . Отношение для нанопроволоки шириной 80 нм / длиной 10 мкм (D1) составляет ~ 3,2 10 ^-6 , а оценка мощности фактически поглощенного света составляет ~ 0,22 мкВт (что сопоставимо с таковой для сфокусированного лазерного луча). Все силы освещения, упомянутые в рукописи, были приложенными, если только фактически поглощенная мощность не была явно указана.

Результаты

Нанопроволока и характеристика устройств

На рис. 2 представлены характеристики материала и устройства.На рис. 2А показано СЭМ-изображение CdSe SNW длиной 10 мкм (устройство 1 или D1) с индиевыми (In) контактами, образующими переходы M-S на каждом конце. Однородный монокристаллический CdSe SNW был выращен в фазе вюрцита вдоль оси [0001] с диаметром ~ 80 нм, как показано на изображении просвечивающей электронной микроскопии (TEM) с малым увеличением на рисунке 2B, с дифрактограммой выбранной области ( SADP), как на вставке, и изображение ПЭМ высокого разрешения (HRTEM) на рис. 2С, показывающее межплоскостное расстояние 0,69 нм. Золотой катализатор на конце SNW (рис. 2B) предполагает механизм роста пар-жидкость-твердое тело [29].Фотолюминесценция (ФЛ) CdSe-SNW, зависящая от мощности лазера, показывает сильный пик излучения при 1,78 эВ, который соответствует запрещенной энергии CdSe [30]. Вставка накладывает карту PL на оптическое изображение, чтобы продемонстрировать относительно однородное излучение SNW и, как следствие, однородное качество материала по каналу SNW. На рисунке 2E, выходная характеристика, SD ток I _ds vs. S — D напряжение В _ds , показана для устройства со световой подсветкой и без нее с использованием галогена. свет, где освещение оптически модулирует или «блокирует» электрическую проводимость между темным («выключено») и освещенным («включено») состояниями.Кривые I _ds vs. V _ds для этих двух состояний явно напоминают кривые для состояний выключенного и включенного полевого транзистора [1] соответственно, особенно когда V _ds <~ 7 В.

Рисунок 2. Характеристика ЛПЭ. (A) СЭМ-изображение типичного устройства In-CdSe-In (шкала 2 мкм). (B) TEM (шкала 100 нм) со вставкой SAED и изображение (C) HRTEM (шкала 2 нм) репрезентативной нанопроволоки CdSe.Результаты ПЭМ указывают на монокристаллический CdSe с хорошо упорядоченным расстоянием между плоскостями решетки 0,69 нм вдоль направления роста [0001]. (D) Спектры ФЛ, полученные при возбуждении 442 нм и различной мощности ( P ₀ = 1,5 мкВт). На вставке — карта PL, наложенная на оптическое изображение D1 (масштабная полоса 4 мкм). (E) Ток сток-исток, I _ds , как функция напряжения сток-исток, В _ds , в темноте (черная линия) и галогенном свете (оранжевый линия) условия.

Выходная и передаточная характеристика

Результаты для двух устройств, устройства 1 (D1) и устройства 2 (D2) с длинами ~ 10 и ~ 5,5 мкм и аналогичными диаметрами (~ 80 нм), представлены, чтобы проиллюстрировать общие свойства ЛПЭ и продемонстрировать потенциал для характеристики тюнинг и оптимизация. Два устройства были изготовлены практически одинаково.

Темновые токи устройства обнаруживают незначительный обратный ток смещения и выпрямление (диодоподобное поведение) при прямом смещении, например.g., Рисунок 2E. Работа LET происходит при прямом смещении для обоих устройств. Выпрямление свидетельствует об асимметричных контактах In / CdSe для обоих устройств, где один переход M-S близок к омическому, а другой образует контакт Шоттки [31]; желательны большие асимметричные контакты, поскольку они резко снижают темновой ток или состояние выключения и тем самым улучшают соотношение включения / выключения. Барьер Шоттки в значительной степени определяет напряжение включения, В _{D, на} , которое составляет ~ 8 В для D1 и> 21 В для D2.Например, D2 демонстрирует почти резистивное поведение до В _ds = 21 В при I _ds , достигая всего ~ 15 пА, по сравнению с диапазоном D1 от ~ 1 нА до ~ 4 мкА за 1 –21 В. Большая разница между двумя устройствами может быть связана с тонким слоем SeO _x ( x = 2–3) [32] на переходе In / CdSe, хотя детали требуют дальнейшего изучения. Эти результаты намекают, что параметры темного или выключенного состояния можно контролировать с помощью контактной инженерии M-S.

Типичные выходные характеристики ЛПЭ показаны на рисунках 3A – D для D1 и на рисунках 3E, F для D2, соответственно, чтобы проиллюстрировать, как характеристики ЛПЭ зависят от мощности / длины волны затвора, условий освещения и изменения устройства. D1 показывает два хорошо разделенных плато, соответственно, начиная с В _ds ~ 4–5 и ~ 14–18 В в зависимости от длины волны затвора и мощности. Например, начало второго плато находится при ~ 14–15 В при освещении 633 нм, но смещается до ~ 16–18 В при возбуждении 442 нм.Два настраиваемых плато потенциально могут предлагать два различных настраиваемых состояния. Для D2 первое и второе плато сравнительно плохо разделены, и как 532 нм, так и галогенное освещение имеют первое плато при ~ 2 В с соответствующими зависимыми от мощности вторыми плато при ~ 6-7,5 В (532 нм) и ~ 5 –5,75 В (галоген). Каждое плато появляется при соответственно более низких значениях V _ds , чем в D1, и из-за чрезвычайно низкого темнового тока длинное второе плато простирается до наивысшего измеренного значения V _ds .Для D1 максимальные отношения включения / выключения обычно возникают при В _ds <5 В и варьируются от 10 ² до 10 ⁴ в зависимости от мощности затвора и длины волны. Например, на рис. 3В показаны отношения включения / выключения ~ 5 × 10 ⁴ и ~ 2 × 10 ⁴ при В _ds = 1,43 и 4,95 В соответственно, когда P _г (532 нм) ≈ 2 мкВт. Соотношение включения / выключения для D2 на рисунке 3E составляет ~ 1.0 × 10 ⁶ и ~ 1,1 × 10 ⁶ при В _ds = 1,43 и 4,95 В при P _g (532 нм) ≈ 2,6 мкВт. Когда P _г (галоген) ≈ 69 мкВт на Рисунке 3F, отношения включения / выключения составляют ~ 6 × 10 ⁵ и ~ 1 × 10 ⁶ при В _ds = 1,43 и 4,95 В соответственно.

Рисунок 3. Выходные характеристики ЛПЭ: ток исток-сток, I _ds , в зависимости от приложенного напряжения сток-исток, В _ds с переменной мощностью затвора, P _g , и длиной волны λ _g для двух устройств (D1 и D2) . (A – D) для D1 при освещении 633, 532, 442 и 325 нм с P ₀ значениями 1,40, 2,07, 2,38 и 2,25 мкВт соответственно, а (E, F) приведены для D2 менее 532 нм и галогенного возбуждения с соответствующими значениями 1,38 и 69,1 мкВт для P ₀ . Темный ток представлен черными линиями.

Различия между D1 и D2 указывают на то, что характеристики LET могут быть настроены и оптимизированы посредством разработки материалов и устройств.Большой контактный барьер M-SNW обычно желателен для создания малых токов в выключенном состоянии во всем рабочем диапазоне и может быть оптимизирован для максимального увеличения отношения включения / выключения. Обратите внимание, что уровни тока для различных длин волн «затвора» на рисунках 3A – D показали значительные различия, что в основном связано с зависящими от длины волны эффектами взаимодействия света и вещества, например, динамикой поглощения и несущей, а также условиями освещения, например, плотностью мощности и пучком. размер. Эта функция предлагает уникальное преимущество LET, заключающееся в гибкости в достижении функций затвора по сравнению с полевыми транзисторами.

Характеристики передачи позволяют извлекать несколько показателей производительности. Пороговое напряжение затвора полевого транзистора, В _T , и подпороговое колебание, S , соответственно, определяются как начало линейной области в I _ds — В _g кривой (то есть поведение резистора, управляемого напряжением), и как обратный линейный наклон на полулогарифмическом графике I _ds — V _g [4].Их физические интерпретации, соответственно, — это напряжение затвора, необходимое для работы устройства, и приращение напряжения затвора, чтобы вызвать изменение тока на порядок ниже В _T . Небольшое значение S подразумевает небольшое потребление энергии или мощности для включения или работы полевого транзистора. На рисунке 4 представлены передаточные характеристики D1 ​​и D2, которые в целом напоминают передаточные характеристики полевого транзистора, например, увеличение I _ds при увеличении мощности затвора P _g увеличивается при постоянном напряжении V _ds , за исключением LET, заменяет V _g на P _g .Пороговая мощность затвора LET, P _T , тогда соответствует началу линейной I _ds — P _g области для данного λ _g и S _LET — его подпороговое колебание. Примечательно, что полевые транзисторы обычно не работают в области «подпорогового колебания», тогда как LET может использовать этот диапазон для реализации оптических логических вентилей и для интересного эффекта оптического усиления.Взяв кривые D2 I _ds против P _g кривые, рисунок 4E, с λ _g = 532 нм в качестве примеров, типичный P _T и _LET значения при В _ds = 1,43 (4,98) В равны, соответственно, ~ 30. (~ 30.) НВт и ~ 2,8 (~ 2,5) нВт / декада. Для справки, усовершенствованные полевые транзисторы имеют соответствующие параметры V _T и S , составляющие 100–200 мВ и ~ 70–90 мВ / декаду [33].При В _ds = 1,43 В, P _g = 0,11 мкВт дает I _ds ≈ 0,35 мкА, а динамическое энергопотребление LET составляет ~ 0,5 мкВт, что составляет сравнимо с усовершенствованными полевыми транзисторами [34]. Энергопотребление ЛПЭ в закрытом состоянии может быть очень низким. Например, темновой ток составляет ~ 1 пА при В _ds = 1,43 В с соответствующим энергопотреблением в выключенном состоянии ~ 1,5 пВт, что ниже, чем у полевого транзистора такой же длины [34].Энергия переключения или количество энергии, необходимое для перехода из выключенного состояния во включенное, является часто цитируемым показателем. Наша система измерения тока препятствует прямому измерению времени переключения, хотя можно предположить, что LET могут иметь более низкую энергию переключения, чем современные полевые транзисторы. Обратите внимание, что LET можно рассматривать как FET без затвора, что означает, что время переключения LET ограничено временем прохождения несущей, а не емкостной задержкой FET. Большинство полупроводников с прямой запрещенной зоной обладают временем жизни носителей при комнатной температуре порядка 100 пс без приложенного смещения, где приложение смещения, особенно для короткой длины проводящего канала, сокращает время прохождения за счет более быстрого уничтожения свободных носителей.Простые оценки, основанные на производительности D2, поддерживают более низкую энергию переключения в LET. Например, даже предполагаемое время задержки 100 пс даст энергию переключения 0,05 фДж / переключатель (0,5 мкВт × 100 пс), связанную с током SD, и 0,01 фДж / переключатель (0,1 мкВт × 100 пс) из-за действия оптического стробирования. , что дает полную энергию переключения меньше, чем типичные значения полевого транзистора 0,1–1,0 фДж / переключатель [35]. Энергия переключения может быть дополнительно снижена за счет уменьшения длины канала и оптимизации контактов.

Рисунок 4. Передаточные характеристики ЛПЭ: ток исток-сток, I _ds , как функция мощности лазера при различных напряжениях исток-сток, В _ds . (A – D) для устройства D1, а (E, F) для устройства D2 с теми же условиями, что и на рис. 3 .

Демонстрации приложений

Характеристики передачи

LET используются для иллюстрации основных принципов для нескольких важных приложений.Характеристики освещения D2 532 нм, рис. 4E, повторно построены в двойном логарифмическом масштабе на рис. 5A, только V _ds = 1,43 и 4,98 В, показанные для ясности, чтобы более четко отобразить три основных рабочих региона. : суперлинейный (темно-серая область), линейный (средний серый) и сублинейный / насыщенный (светло-серый). В разных регионах могут предлагаться разные уникальные приложения, как показано в примерах, приведенных ниже.

Рисунок 5. Демонстрация выбранных функций LET с использованием D2 .Оси — ток исток-сток, I _ds , в зависимости от напряжения исток-сток, В _ds , если не указано иное. (A) Логарифмический график I _ds в сравнении с P _g кривых при возбуждении 532 нм с В _ds значениями 1,43 и 4,98 В, где три заштрихованные области являются визуальными ориентирами для различения суперлинейных (темно-серый), линейных (средне-серый) и насыщенных (светло-серый) областей, используемых для демонстрации LET-поведения и приложений в (B – H) . (B) Логический вентиль И с оптической модуляцией, где A = V _ds (5,00 В) и B = модулированный P _g (532 нм) до 2,60 мкВт по амплитуде). Темная линия, В _ds = 5 В и P _g = 0; зеленая линия, В _ds = 5 В и P _g модулируется. (C) Различные рабочие области в соответствии с соотношением R (определение см. В тексте), достижимые при двухлучевом освещении при фиксированном напряжении V _ds 5,0 В. (D) A типичное R >> 1 рабочая точка, с P _{g 1} (532 нм) = 2 нВт и P _{g 2} (галоген) = 1,57 мкВт, используется как демонстрация оптического усиления; и (E) содержит те же данные, что и (D) , но вместо этого используется как демонстрация оптического логического элемента И. (F) Типичный R ≈ 1 рабочая точка, с P _{г 1} (532 нм) = 0,63 мкВт и P _{г 2} (галоген) = 0,7 мкВт, используется в качестве демонстрации операции суммирования. (G) Типичный R ≈ ½ рабочей точки, с P _{g 1} (532 нм) = 0,63 мкВт и P _{g 2} (галоген) = .1 мкВт, используется как оптический логический вентиль OR . (H) Работа LET при электрической модуляции В _ds (t) , при изменении P _g ( P ₀ = 2,60 мкВт). Выходы I _ds (t) измерялись через резистор выборки. Входной сигнал отображается серым цветом (нормализовано к черному цвету P _g = 0 выходная кривая).

AND Логический вентиль и усилитель напряжения

Рисунок 5B демонстрирует однолучевое освещение в виде гибридного логического элемента И , который воспроизводит основную логическую функцию полевого транзистора [1, 36], используя электрический вход A = В _ds и оптический вход B = P _г с выходом, обозначенным как AxB . Это достигается, когда V _ds = 5V и P _g модулируется между 0 и 2.60 мкВт. Однолучевой режим также может действовать как источник тока или усилитель напряжения при работе в области насыщения выходной характеристики или даже при использовании двух различных включенных состояний ЛПЭ (например, первое и второе плато на рисунке 3B) для реализации двухуровневого функции логического элемента и усилителя напряжения. Кроме того, два устройства LET могут быть объединены параллельно или последовательно для создания универсальных логических вентилей NOR и NAND , как показано на рисунке A1 в дополнительном материале с соответствующими таблицами истинности.

Возможность нескольких независимых вентилей

Важным преимуществом LET является работа с несколькими независимыми вентилями, когда оптические вентили не увеличивают габариты устройства. В качестве примера демонстрируется двухлучевая работа с независимо управляемым равномерным освещением галогеновым светом и сфокусированным освещением от лазера 532 нм, обозначенного как P _{g 1} и P _{g 2,} соответственно. . Освещение любым отдельным световым лучом дает соответствующие характеристики передачи, например.g., I _ds по сравнению с P _g на рисунке 4, в то время как двухлучевое освещение приводит к 3D I _ds по сравнению с ( P _{g 1} , P _{g 2} ) график (рисунок A2-A в дополнительном материале). Однако двухлучевой отклик в основном отражает линейность одностворчатого отклика, показанного на рисунке 5A. Чтобы более четко показать этот эффект, вводится коэффициент увеличения тока R путем преобразования I _ds ( P _{g 1} , P _{g 2} ) в R ( P _{г 1} , P _{г 2} ), где R = I _DS ( P _{г 2} ) / [ I _ds ( P _{g 1} ) + I _ds ( P _{9]Данные на рисунках A1-A в дополнительных материалах были преобразованы с этим определением, и соответствующие значения R отображаются на контурном графике рисунка 5C. Используя характеристики отклика LET на рисунках 5A, C, мы демонстрируем несколько отчетливо различных функций LET, которые нелегко реализовать с помощью полевого транзистора и которые могут быть реализованы с помощью одного устройства LET. На рисунках 5D – G показаны приложения с двумя затворами в трех важных областях R ( P g 1 , P g 2 ), показанных на рисунке 5C.Кроме того, нелинейный отклик при длине волны 633 нм также расширен до двухлучевого освещения с добавлением галогенного света (рис. A3 в дополнительных материалах).}

Оптическое усиление

Это происходит в области суперлинейного или подпорогового колебания на рис. 5A и дает область, где R >> 1, например, R ≈ 9–11 на рис. 5C. На рис. 5D представлены токи, индуцированные одним пучком: I _{ds , 532 нм} ≈ 11 нА (темно-голубая линия) и I _{ds, галоген} ≈ 37 нА (оранжевая линия), при одновременном освещении ~ 11 умноженное на их сумму с I _{ds , 2 пучком} ≈ 525 нА (синяя линия).Если лазерный луч рассматривается как слабый оптический сигнал, который необходимо измерить, а галогенный свет (~ 1,6 мкВт) — как стробирующий сигнал, получается коэффициент усиления м ≈ 48. Оптически индуцированное усиление электронного сигнала ЛПЭ повторяет функцию трехполюсного фототранзистора, например, биполярного транзистора с полупрозрачным электродом [37], где небольшое смещение база-эмиттер приводит к усилению фототока. Эта функция может найти широкое применение при обнаружении слабых оптических сигналов.

Оптический логический элемент И

Результаты, показанные на Рисунке 5D, также могут быть использованы для важных оптических логических операций, таких как показанные на Рисунке 5E. Два индивидуально применяемых оптических затвора с входами A и B , соответственно, создают два слаботочных или выключенных состояния, представленных как (1,0) или (0,1) в дополнение к (0 , 0) выключено (для ясности не показано). Только при одновременном освещении выход C создает состояние «включено» или « (1,1) ».Операции оптической логики с поддержкой LET могут привести к новым подходам к оптическим или квантовым вычислениям [38].

Оптическое суммирование

Операции суммирования

могут быть реализованы в области линейного отклика рисунка 5C, например, R = 1, как показано на рисунке 5F. На этом рисунке P _{g 1, 532 нм} и P _{g 1, галоген} генерируют два независимых сигнала 2,00 и 0,32 мкА, в то время как одновременное освещение дает ток 2,43 мкА или приблизительно их числовая сумма.Эта область удобна для создания нескольких состояний, например, для устройств памяти.

Оптический логический вентиль ИЛИ

Насыщение по току достигается, когда R = ½, и может функционировать как оптический логический вентиль ИЛИ, рисунок 5G. Когда A = P _{г 1} (532 нм) = 0,63 мкВт и B = P _{г 2} (галоген) = 69,1 мкВт, индивидуальное освещение в состояниях (1,0) и (0,1) или двойное освещение в состоянии (1,1) дает сопоставимые значения I _ds ; все три состояния включения противопоставляют состояние выключения с уровнем pA I _ds , обозначенным как (0,0) (не показано для ясности).Одна LET может одновременно выполнять более сложные логические функции, комбинируя управление V _ds с возможностью двойного оптического затвора, например, трехконтактный логический элемент И с выходом AxBxC, или с одновременными логическими элементами И и ИЛИ с Ax (B + C ) вывод. Таблицы истинности для этих логических операций и предлагаемые им символы представлены в Приложении (Рисунок A4 в дополнительных материалах). Примечательно, что одна LET может реализовывать сложные логические функции, которые обычно требуют нескольких полевых транзисторов, но может потребовать меньшего количества устройств для выполнения идентичных или расширенных функций.Таким образом, LET предлагают дополнительный путь для достижения высокой плотности устройств на одном кристалле.

Дифференциатор и фазовый тюнер с оптическим стробированием

В дополнение к вышеупомянутым функциям, LET также могут использоваться в качестве дифференциатора при нулевом или низком уровне P _g и в качестве фазового тюнера, поскольку P _g увеличивается. На рисунке 5H показаны кривые I _ds (t) в сравнении с V _ds (t) кривые для различных значений P _g , где V ds (t) — это синусоидальная модуляция с амплитудой 5.0 В и смещение постоянного тока для удаления отрицательной части. Кривая I _ds (t) демонстрирует фазовую задержку 90 ° относительно V _ds (t) , когда P _g = 0, что указывает, что устройство функционирует как дифференциатор, преобразуя синусоидальную волну в косинусоидальную волну; увеличение P _g приводит к настраиваемому фазовому сдвигу, который постепенно приближается к нулю, т.е.г., при P _г = 2,6 мкВт. Этот эффект можно понять как изменение импеданса ЛПЭ путем изменения мощности затвора.

Обсуждение

LET Механизм работы

Кривые I _ds — V _ds на рис. 3 можно качественно понять с помощью модели фотопроводимости, предложенной Моттом и Герни [22]. Первое плато может быть связано с «первичной фотопроводимостью», которая создает ток в результате фотогенерируемых электронов и дырок, протекающих через нанопроволоку под действием приложенного смещения.Состояние устойчивого состояния формируется, когда только достаточное количество внешних носителей, попадающих в нанопроволоку через электроды, пополняет оставшиеся из устройства. При одноточечном освещении эффективность сбора Ψ может быть приблизительно описана как:

ψ = w / L (1 − e − x0 / w), (1)

, где w — средний свободный пробег носителя (который пропорционален приложенному полю), L — длина нанопроволоки, а x ₀ — место освещения, измеренное от анода (катода), когда носители являются электронами (дырками).Эта теория предполагает непрерывное увеличение фототока от V _ds = 0 до насыщения при достаточно большом V _ds для получения w >> L и Ψ → 0,5 (см. Рисунок A5. в дополнительном материале для моделирования Ψ vs. V _ds кривых). При равномерном освещении эффективность сбора составляет:

ψ = w / L [1-w / L (1-е-L / w)] (2)

Если все фотоны поглощаются, сумма эффективностей сбора как электронов, так и дырок даст квантовую эффективность η _QE , определяемую как I _ph / (eN _ph ) , где I _ph — фотоиндуцированный ток, а N _ph — количество поглощенных фотонов.Когда происходит текущее насыщение, η _QE = 100%. Например, поглощение 2 мкВт света 620 нм с η _QE = 100% дает ток 1 мкА. Когда V _ds приближается к V _{D, на} , значительное уменьшение барьера Шоттки [31, 39] позволяет избыточным носителям проникать в нанопроволоку через электроды, что затем приводит к резкому переходу I в нанопроволоку. _ds увеличение, которое позволяет η _QE >> 1.Подробный механизм работы, вероятно, намного сложнее, чем описанный простым режимом фотопроводимости, и заслуживает дальнейшего изучения.

Существенно, что эффективность сбора, как ожидается, резко улучшится при низком уровне V _ds с устройствами нанометровой длины (рисунок A5 в дополнительном материале), что должно дополнительно снизить статическое энергопотребление и обеспечить более низкое V _ds , чем продемонстрированные здесь.Максимальная прикладываемая мощность лазера составляет около 3 мкВт и соответствует плотности мощности ~ 0,60 Вт / мм ² , что меньше, чем у эффективного светодиода [40]. Фактически используемая мощность затвора составляет лишь около 10% от приложенной мощности, поскольку размер лазерного пятна значительно больше диаметра нанопроволоки (см. Раздел «Материалы и методы» для оценки потерь энергии). Уменьшение размера луча ближе к диаметру SNW может уменьшить P _g как минимум в 10 раз [41], и, как хорошо установлено в устройствах с полевыми транзисторами, уменьшение длины канала может еще больше снизить необходимое В _ds (Рисунок A5 в дополнительном материале).Повышенная эффективность и снижение энергопотребления могут значительно снизить тепловые проблемы, с которыми сталкиваются электронные устройства, содержащие полевые транзисторы нанометрового размера. Отметим, что полевые транзисторы обладают термодинамическим пределом S ≥ ( kT / q ) ln (10) = 60 мВ / декаду при 300 K, тогда как для LET S _LET является внешним в природе из-за его зависимости w от плотности носителей, которая, в свою очередь, зависит от плотности дефектов. Таким образом, S _LET может быть значительно улучшен за счет сокращения проводящего канала, улучшения качества материала и выбора материалов с сильным поглощением.

Пути к дальнейшей миниатюризации и интеграции

LET также могут работать в квантовом масштабе. Структурная простота LET устраняет потенциальные препятствия, с которыми сталкиваются полевые транзисторы для дальнейшего масштабирования. ЛПЭ имеет тот же предел, что и полевой транзистор, то есть практически достижимые размеры наноструктуры, например, 1–7 нм для нанопроволок Si [42], но ЛПЭ не требует сложных и сложных этапов изготовления физических вентилей и легирования. В целом теория баллистического переноса предполагает, что коммерчески жизнеспособные токи могут быть достигнуты в квантовых структурах [43].Квантовая проводимость, которая ограничивает одномерный баллистический перенос, определяется как G = nG ₀ , где G ₀ = 2e ² / h — минимальная проводимость, а n — целые числа, представляющие квантованные уровни энергии. Это уравнение [44] дает максимальный квантовый импеданс для проводящего канала Z ₀ = 1/ G ₀ = 12,9 кОм. Энергопотребление в открытом состоянии может составлять всего ~ 13 нВт / LET, когда I _ds = 1 мкА, а требуемое минимальное В _ds будет только 13 мВ (не включая падение напряжения на S / M переходах).Учитывая сильно локализованный характер одномерной плотности энергии состояний, ожидается, что проводимость ЛПЭ будет квантоваться и, таким образом, настраиваться с использованием различных энергий фотонов.

Промышленность может использовать по крайней мере два основных режима освещения в интегральной схеме ЛПЭ в зависимости от применения: (i) равномерное освещение большой площади над массивом ЛПЭ высокой плотности с SNW или (ii) отдельные световые лучи, направленные на отдельные или небольшие группы ЛПЭ через, например, острые концы волокна или наноразмерные эмиттеры, встроенные в один и тот же чип.Для любого режима несколько источников света с одинаковой или разной длиной волны и / или интенсивностью могут быть объединены в один луч, но управляться независимо.

Заключение

В этой работе мы представили концепцию LET как радикально отличающийся подход к технологиям IC на основе полевых транзисторов с использованием полностью оптического, а не физического механизма затвора. LET исследует хорошо известный атрибут фотопроводимости полупроводника, который обычно и обычно используется для фотодетектирования.Здесь мы демонстрируем цифровые и аналоговые приложения, которые обычно достижимы только с помощью транзисторов, а также функции, которых полевые транзисторы не могут достичь. Что наиболее важно, функция затвора LET может обеспечить гораздо большую гибкость, чем полевой транзистор, включая настраиваемые свойства затвора и несколько независимых затворов. Примечательно, что LET может продолжить закон Мура без усложнений и ограничений полевого транзистора, связанных с изготовлением затвора и контролем допинга, посредством: (i) простой архитектуры устройства, потенциально снижающей затраты на изготовление; (ii) возможность масштабирования до квантового уровня; (iii) эффективная, многофункциональная способность в одном устройстве; и (iv) работа с низким энергопотреблением, что устраняет тепловые проблемы, с которыми сталкиваются электронные устройства нанометрового размера.Общий принцип работы ЛПЭ не зависит от конкретной системы материалов, таким образом, применительно к кремнию существующие микроэлектронные и фотонные технологии на основе кремния могут быть легко приняты технологией ЛПЭ. Концепция LET также может быть расширена для разработки других световых эффектов.

Авторские взносы

YZ и WZ руководили работами в UNCC и UNO соответственно. JM и YZ провели оптические и электрические измерения и проанализировали данные, SR вырастил нанопроволоки CdSe и изготовил устройства, а KW собрал данные TEM и создал трехмерную схему на рисунке 1.YZ и JM написали рукопись. Все авторы просмотрели, отредактировали и прокомментировали эту рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана за счет средств почетного профессора YZ Bissell в UNC-Charlotte. Мы выражаем глубокую признательность и благодарность Dr.Quiyi Ye и Dr. Kwok Ng за ценные обсуждения и комментарии. JM благодарит Джона «Джека» Краузе за полезные обсуждения, связанные с электроникой. SR благодарит Шуке Яна за помощь в изготовлении устройства.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fphy.2016.00008

Список литературы

1. Sze SM, Ng KK. Физика полупроводниковых приборов . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley & Sons (2007).

Google Scholar

2. Жареный DM, Duster JS, Корнегай, КТ. Высокопроизводительные FinFET-транзисторы с независимым затвором p-типа. IEEE Electron Device Lett. (2004) 25 : 199–201. DOI: 10.1109 / LED.2004.825160

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Ferain I, Colinge CA, Colinge JP. Многозатворные транзисторы как будущее классических полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник. Nature (2011) 479 : 310–6. DOI: 10.1038 / природа10676

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

5. Де Марчи М., Саккетто Д., Фраче С., Чжан Дж., Гайлардон П. Е., Леблебичи Ю. и др. Контроль полярности в полевых транзисторах из кремниевых нанопроволок с двойным затвором и круговым затвором. В: 2012 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) (2012) (Сан-Франциско, Калифорния).

7. Хуанг XJ, Ли WC, Kuo C, Hisamoto D, Chang LL, Kedzierski J, et al. FinFET с р-каналом менее 50 нм. IEEE Trans Electron Devices (2001) 48 : 880–6.DOI: 10.1109 / 16.

5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Moore GE. Втиснуть больше компонентов в интегральные схемы. Электроника (1965) 38 : 114–7.

10. ITRS. Обновления 2012 г. в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (2012). Гейтерсбург, Мэриленд.

11. Цуй Й, Чжун Чж, Ван Д.Л., Ван В.У., Либер СМ. Высокопроизводительные полевые транзисторы на кремниевых нанопроводах. Nano Lett. (2003) 3 : 149–52.DOI: 10.1021 / nl025875l

CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Thelander C, Agarwal P, Brongersma S, Eymery J, Feiner LF, Forchel A, et al. Одномерная электроника на основе нанопроволок. Mater Today (2006) 9 : 28–35. DOI: 10.1016 / S1369-7021 (06) 71651-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. Аппенцеллер Дж., Ноч Дж., Бьорк М.И., Риль Х., Шмид Х., Рисс В. К электронике на основе нанопроволок. IEEE Trans. Электронные устройства (2008) 55 , 2827–45.DOI: 10.1109 / TED.2008.2008011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Ко Х, Такей К., Кападиа Р., Чуанг С., Фанг Х, Лей П. У. и др. Ультратонкий составной полупроводник на изоляционных слоях для высокопроизводительных наноразмерных транзисторов. Nature (2010) 468 : 286–9. DOI: 10.1038 / nature09541

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Чжоу С., Ван Х, Раджу С., Лин З, Вильяроман Д., Хуанг Б. и др. Полевые транзисторы с низким напряжением и высоким коэффициентом включения / выключения на основе CVD MoS2 и диэлектрика PZT со сверхвысоким k затвора. Наноразмер (2015) 7 : 8695–700. DOI: 10.1039 / C5NR01072A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

18. Фрэнк Д. Д., Деннард Р. Х., Новак Э., Соломон П. М., Таур Й., Вонг Х.С. Пределы масштабирования устройств Si MOSFET и их зависимости от приложений. Proc IEEE (2001) 89 : 259–88. DOI: 10.1109 / 5.₄

CrossRef Полный текст | Google Scholar

19. Bernstein K, Frank DJ, Gattiker AE, Haensch W., Ji BL, Nassif SR, et al.Высокопроизводительная переменная CMOS в режиме 65 нм и выше. IBM J Res Dev. (2006) 50 : 433–49. DOI: 10.1147 / RD.504.0433

CrossRef Полный текст | Google Scholar

20. Хенш В., Новак Э.Дж., Деннард Р.Х., Соломон П.М., Брайант А., Докумачи О.Н. и др. Кремниевые КМОП-устройства без масштабирования. IBM J Res Dev. (2006) 50 : 339–61. DOI: 10.1147 / RD.504.0339

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Нг Х.Т., Хан Дж., Ямада Т., Нгуен П., Чен Ю.П., Мейяппан М.Вертикальный полевой транзистор с объемным затвором на монокристаллической нанопроволоке. Nano Lett. (2004) 4 : 1247–52. DOI: 10.1021 / nl049461z

CrossRef Полный текст | Google Scholar

22. Мотт Н.Ф., Герни RW. Электронные процессы в ионных кристаллах . Лондон: Издательство Оксфордского университета (1940).

25. Кинд Х, штаб-квартира Ян, Мессер Б., Ло М., Янг П.Д. Нанопроволочные ультрафиолетовые фотоприемники и оптические переключатели. Adv Mater. (2002) 14 : 158–60.DOI: 10.1002 / 1521-4095 (20020116) 14: 2 <158 :: AID-ADMA158> 3.0.CO; 2-W

CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Ван К., Рай С.К., Мармон Дж., Чен Дж., Яо К., Возни С. и др. Почти решетка соответствовала всем нанопроволкам типа ядро-оболочка вюрцита CdSe / ZnTe типа II с эпитаксиальными интерфейсами для фотоэлектрических элементов. Наноразмер (2014) 6 : 3679–85. DOI: 10.1039 / c3nr06137j

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

28. Rai SC, Wang K, Chen JJ, Marmon JK, Bhatt M, Wozny S, et al.Улучшенное широкополосное фотодетектирование за счет пьезофотронного эффекта в массиве нанопроволок CdSe / ZnTe ядро ​​/ оболочка. Adv Electron Mater. (2015) 1 : 1400050. DOI: 10.1002 / aelm.201500118

CrossRef Полный текст | Google Scholar

29. Вагнер Р.С., Эллис В.С.. Парожидкостно-твердый механизм роста кристаллов. Appl Phys Lett. (1964) 4 : 89–90. DOI: 10.1063 / 1.1753975

CrossRef Полный текст | Google Scholar

30. Маделунг О. Полупроводники: Справочник . 3-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer (2004).

Google Scholar

31. Шокли В., Пирсон Г.Л. Модуляция проводимости тонких пленок полупроводников поверхностными зарядами. Phys Rev. (1948) 74 : 232–3. DOI: 10.1103 / PhysRev.74.232

CrossRef Полный текст

33. Kyung CMEM. Наноустройства и схемы для низкоэнергетических приложений и сбора энергии . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer (2015).

Google Scholar

34. Новак EJ. Сохранение преимуществ масштабирования КМОП при уменьшении масштабов. IBM J Res Dev. (2002) 46 : 169–80. DOI: 10.1147 / rd.462.0169

CrossRef Полный текст | Google Scholar

35. ITRS. Международная дорожная карта развития технологий для полупроводников на 2013 год (2013). Гейтерсбург, Мэриленд.

36. Хуан И, Дуан ХФ, Цуй И, Лаухон Л.Дж., Ким К.Х., Либер С.М. (2001). Логические вентили и вычисления из собранных строительных блоков нанопроволоки. Наука (2013) 294 : 1313–7. DOI: 10.1126 / science.1066192

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст

38. Такер RS. Роль оптики в вычислительной технике. Нат Фотон (2010) 4 : 405. DOI: 10.1038 / nphoton.2010.162

CrossRef Полный текст

39. Tung RT. Физика и химия высоты барьера Шоттки. Appl Phys Rev. (2014) 1 : 011304. DOI: 10.1063 / 1.4858400

CrossRef Полный текст | Google Scholar

40.Чжао Ю.Дж., Танака С., Пан С.С., Фудзито К., Физелл Д., Спек Дж. С. и др. (2011). Мощные сине-фиолетовые полуполярные (2021 г.) светодиоды InGaN / GaN с низким КПД имеют спад при 200 А / см2. Appl Phys Express 4: 082104. DOI: 10.1143 / APEX.4.082104

CrossRef Полный текст | Google Scholar

41. Шак П.Дж., Вебер-Барджони А., Эшби П.Д., Оглетри Д.Ф., Шварцберг А., Кабрини С. Жизнь за пределами дифракции: открытие новых путей к определению характеристик материалов с помощью оптических методов ближнего поля нового поколения. Adv Funct Mater. (2013) 23 : 2539–53. DOI: 10.1002 / adfm.201203432

CrossRef Полный текст | Google Scholar

43. Kurniawan O, Ng MF, Koh WS, Leong ZY, Li E. Упрощенная модель баллистической вольт-амперной характеристики в цилиндрических нанопроводах. Microelectron J. (2010) 41 : 155–61. DOI: 10.1016 / j.mejo.2010.01.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

44. Ландауэр Р. Пространственное изменение токов и полей из-за локализованных рассеивателей в металлической проводимости. IBM J Res Dev. (1957) 1 : 223–31. DOI: 10.1147 / rd.13.0223

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Физика 9702 Сомнения | Страница справки 141

Вопрос 695: [Определение устройства]

(a) Укажите название электрического чувствительного устройства, которое отреагирует на изменения в

(i) длина

(ii) давление

(b) Реле иногда используется как выход датчика цепь.

Выход конкретной чувствительной цепи составляет либо + 2В, либо -2В.

На рис.1 нарисуйте символы реле и любой другой необходимый компонент, чтобы включалась только внешняя цепь когда выход чувствительной цепи составляет +2 В.

Ссылка: Отчет о прошедших экзаменах — Июнь 2010 Документы 42 и 43 Q10

Решение 695:

(а)

(i) Тензодатчик

(ii) Пьезоэлектрический / кварцевый кристалл / датчик

(б) Для схемы подключается катушка реле между выходом чувствительной цепи и землей, а переключатель находится через клеммы внешней цепи.

Диод включен последовательно с катушку с правильной полярностью для диода (вниз). Второй диод с подключена правильная полярность (вверх и параллельно катушке реле).

{Обратите внимание, что следующие объяснения были взяты непосредственно из буклета приложения.

Диод D ₁ проводит только тогда, когда выход положительный относительно земли и, следовательно, реле катушка находится под напряжением только тогда, когда выход положительный. Когда ток в реле катушка выключена, задняя эл.м.ф. образуется в катушке, что может повредить чувствительная цепь. Диод D ₂ подключен через катушку к защитите измерительную цепь от этой обратной ЭДС}

Вопрос 696: [Текущий электроэнергии]

(a) Проволока имеет длину 100 см и диаметр 0,38 мм. Металл проволоки имеет удельное сопротивление 4.5 × 10 ^–7 Ом · м.

Покажите, что сопротивление провода равно 4,0 Ом.

(b) Концы B и D провода в (a) подключены к ячейке X, как изображенный на рис.1.

Ячейка X имеет электродвижущую силу (ЭДС) 2,0 В и внутреннее сопротивление 1,0 Ом.

Ячейка Y э.м.ф. 1,5 В и внутреннее сопротивление 0,50 Ом подключено к проводу в точках B и C, как показано на рис.1.

Точка C находится на расстоянии l от точка B. Ток в ячейке Y равен нулю. Рассчитать

(i) ток в ячейке X,

(ii) разность потенциалов (p.d.) поперек провода БД,

(iii) расстояние l .

(c) Соединение в точке C перемещается так, что l увеличивается.Объясните почему э.м.ф. ячейки Y меньше ее конечного p.d.

Ссылка: Отчет о прошедшем экзамене — Отчет за ноябрь 2014 г. 23 Q6

Решение 696:

Перейти к
Провод имеет длину 100 см и диаметр 0,38 мм. Металл проволоки имеет удельное сопротивление 4,5 · 10–7 Ом · м.

Вопрос 697: [Измерение > Префиксы]

А сигнал имеет частоту 2,0 МГц.

какая такое период сигнала?

А 2 мкс B 5 мкс C 200 нс D 500 нс

Ссылка: Отчет о прошедшем экзамене — ноябрь 2010 г. Документ 11, первый квартал и доклад 13 квартал

Решение 697:

Ответ: Д.

Частота f = 2,0 МГц = 2,0 × 10 ⁶ Гц

Период = 1 / f = 1 / (2,0 × 10 ⁶ ) = 0,5 × 10 ^-6 = 500 × 10 ^-9 = 500 нс

Вопрос 698: [Кинематика + Динамика]

На вертолете висит трос от него в сторону моря внизу, как показано на рис.1.

Мужчина массой 80 кг спасает ребенка масса 50,5 кг. Два прикреплены к тросу и поднимаются из моря на вертолет.Процесс подъема состоит из начального равномерного ускорения за которым следует период постоянной скорости, а затем завершается окончательная форма замедление.

(a) Рассчитайте общий вес мужчины и ребенка.

(б) Рассчитать натяжение троса в течение

(i) начальное ускорение 0,570 м с ^–2 ,

(ii) период постоянной скорости движения 2,00 м с ^–1 .

(c) Во время окончательного торможения натяжение троса составляет 1240 Н.Рассчитайте это замедление.

(d) (i) Подсчитайте время, в течение которого мужчина и ребенок составляют

1. движение с равномерным ускорением,

2. движение с равномерным замедлением.

(ii) Время, в течение которого мужчина и ребенок движется с постоянной скоростью 20 с. На рис. 2 нарисуйте график для показать изменение во времени скорости мужчины и ребенка для полного процесс подъема.

Ссылка: Отчет о прошедшем экзамене — Отчет за июнь 2011 г., 3 квартал

Решение 698:

(a) {Общая масса = 80 + 50.5 = 130,5 кг}

Общий вес = м × г = 130,5 × 9,81 = 1280 Н

б

(i)

Результирующая сила F = ma

{Напряжение вверх, пока вес действует вниз. Результирующая сила / ускорение — вверх.}

Т — 1280 = 130,5 × 0,57

Напряжение Т = 1280 + 74,4 = 1350 Н

(ii) Напряжение T = 1280 Н

{Для постоянной скорости результирующая сила равна нулю. Таким образом, напряжение = вес.}

(в)

{Результирующая сила F =

мА

Для замедления направление результирующей силы должно быть противоположным направлению движения. Движение вверх, поэтому результирующая сила направлена ​​вниз.

Напряжение — Вес = Результирующая сила = ma (a отрицательно здесь)}

1240–1280 = 130,5 ×

a = (-) 0,31 м с ^–2

(d) (i)

1.

{Начальное ускорение а = 0,570 м с ^–2 . Начальная скорость u = 0. Конечная скорость v = 2,00 м с ^–1 .

а = (v — u) / t}

Время t {= (v — u) / a = 2,00 / 0,570} = 3,5 с

2.

{Торможение а = — 0,31 м s ^–2 . Начальная скорость u = 2,00 мс ^-1 . Конечная скорость, v = 0.

а = (v — u) / t}

Время t {= (v — u) / a = -2,00 / -0,31} = 6,5 с

(ii) График имеет базовую форму с правильными точками.

Вопрос 699: [Переменный ток]

Идеальный трансформатор имеет 5000 витков на его первичной обмотке. Предназначен для преобразования сетевого напряжения 230 В среднеквадр. до переменного напряжения с пиковым значением 9,0 В.

(a) Рассчитайте количество витков вторичной катушки.

(b) Выход трансформатора должен быть двухполупериодным выпрямителем. Рисунок 1 показывает часть схемы выпрямителя.

.