Высоковольтный электронный ключ
HIGH VOLTAGE ELECTRONIC KEY

Изобретение относится к электронной технике, в частности к импульсной технике, и может быть использовано в установках для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводящих материалов в широком диапазоне напряженностей электрического поля в импульсном режиме.
Известен электронный ключ (RU 2024187 С1, МПК Н03К 17/687, опубл. 30.11.1994), содержащий высоковольтный полевой транзистор со статической индукцией (СИТ), два ключа, три резистора, формирователь запирающего импульса, конденсатор, диод, шину запуска и две шины питания.
Затвор (СИТ) подключен через первый ключ и последовательно с ним соединенный первый резистор к положительной шине питания, а через второй ключ и параллельно подключенный к нему второй резистор к отрицательной шине питания, исток подключен к общей шине питания, сток - к нагрузке. Управляющий вход первого ключа подключен к шине запуска, а управляющий вход второго ключа - к выходу формирователя запирающего импульса, вход которого подключен к шине запуска. Цепь нелинейной отрицательной обратной связи состоит из третьего резистора, конденсатора и диода, причем катод диода подключен к конденсатору, другой вывод которого подключен к затвору СИТ, и к третьему резистору, другой вывод которого подключен к общему проводу.
Недостатком ключа является сложность конструкции и ограниченность применения. Так как для восстановления заряда конденсатора необходимо время, в несколько раз превышающее длительность выходного импульса, а на стоке СИТ в открытом состоянии сохраняется значительное остаточное напряжение, то данную схему стоит применять в устройствах, работающих с высокой скважностью импульсов и высоким напряжением питания нагрузки.
Известен электронный ключ (RU 2764278 С1, МПК Н02К 1/088, опубл. 17.01.2022, бюл. №2), содержащий N последовательно соединенных транзисторов, N управляющих трансформаторов, включенных по схеме трансформатора тока. Коллектор и эмиттер каждого транзистора зашунтирован выравнивающим резистором и защитным диодом. К базе (затвору) каждого транзистора подключен выход схемы управления ключом (ограничительный резистор), второй вывод которого подключен к эмиттеру каждого транзистора, через сглаживающую цепочку и защитный диод. Входы схемы управления ключом соединены с вторичной обмоткой трансформатора, к первичной обмотке управляющих трансформаторов подключена схема формирователя управляющего сигнала.
Недостатком ключа, является сложность исполнения ключа из-за наличия большого количества каскадов, и его большие габариты из-за наличия последовательно соединенных транзисторов, и управляющих трансформаторов.
Известен электронный ключ (RU 165994 U1, МПК Н03К 17/687, опубл. 10.11.2016, бюл. №31), в котором содержится N ограничителей напряжения, подключенных между истоками и стоками соответствующих транзисторов, где входом ключа является сток N-ro транзистора, а выходом ключа является исток первого транзистора, для каждого транзистора, начиная со второго, дополнительно введены резистор и диод, при этом резисторы включены между истоками и затворами соответствующих транзисторов, аноды всех дополнительных диодов соединены с управляющим входом ключа, а катоды диодов соединены с затворами соответствующих транзисторов, затвор первого транзистора соединен с управляющим входом ключа, при этом напряжение на управляющий вход ключа подается относительно истока первого транзистора.
Недостатком ключа, как и предыдущего, является сложность исполнения ключа из-за наличия большого количества каскадов.
Известен электронный ключ (SU 1786653 А1, МПК Н03К 17/687, опубл. 07.01.1993, бюл. №1), содержащий МДП-транзистор, в стоковую цепь которого включена нагрузка и первичная обмотка дифференцирующего трансформатора тока, стабилитрон, диод, резистор.
В стоковую цепь МДП-транзистора через первичную обмотку трансформатора тока включена нагрузка и положительный полюс входного напряжения, к истоку транзистора подключены отрицательный полюс входного напряжения, анод стабилитрона и конец вторичной обмотки трансформатора тока, начало которой через диод соединено с затвором транзистора, с катодом стабилитрона и с источником управляющих импульсов. Параллельно диоду подключен резистор.
Недостатком ключа является сложность конструкции и наличие трансформатора.
Известен электронный ключ (SU 1760629 А1, МПК Н03К 17/687, опубл. 07.09.1992, бюл. №33), содержащий силовой биполярный транзистор, коллектор которого через нагрузку подключен к положительной шине источника питания, а эмиттер - к его отрицательной шине (общему полюсу). Параллельно коллектору и эмиттеру транзистора включен сток и исток демпфирующего первого полевого транзистора соответственно. Источник импульсов управления соединен через первый резистор с базой биполярного транзистора, а через диод и второй резистор с затвором первого полевого транзистора и с коллектором шунтирующего второго биполярного транзистора, эмиттер которого подключен к источнику первого полевого транзистора. Замедляющий конденсатор, подключенный параллельно затвору и истоку первого полевого транзистора. База второго полевого транзистора через третий ограничивающий резистор соединена с коллектором силового биполярного транзистора и через четвертый базовый резистор - с его эмиттером.
Недостатком ключа является сложность конструкции и использование нескольких транзисторов.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является электронный ключ (SU 1750050 А1, МПК Н03К 17/687, опубл. 23.07.1992, бюл. №27), который состоит из МДП-транзистора, шунтирующего (полевого или биполярного) транзистора, двух диодов, двух резисторов и конденсатора.
Ключевой МДП-транзистор, стоком и истоком, включенный между силовым и общим выводами ключа и нагрузкой. Параллельно затвору и истоку транзистора включен шунтирующий транзистор коллектором и эмиттером соответственно. Между базой и эмиттером шунтирующего транзистора катодом и анодом включен первый диод. Между базой шунтирующего транзистора и стоком МДП-транзистора включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, а к общей точке соединения подключена первая обкладка конденсатора и катод второго диода, анодом соединенного со стоком МДП-транзистора, вторая обкладка конденсатора подключена к базе шунтирующего транзистора.
Недостатком известного электронного ключа является сложность исполнения и использование двух транзисторов.
Цель изобретения - упрощение конструкции высоковольтного электронного ключа и возможность регистрации вольт-амперных характеристик полупроводящих материалов в широком диапазоне напряженностей электрического поля.
Технический результат заключается в упрощении устройства, исключении работы измерительных приборов под высоким напряжением, возможности исключения нагрева исследуемых образцов в широком диапазоне напряженностей электрического поля благодаря использованию импульсного режима регистрации вольт-амперных характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что в высоковольтном электронном ключе, содержащем один полевой транзистор, в стоковую цепь которого включен исследуемый образец, а в цепь истока включено опорное сопротивление, по напряжению на котором определяют силу тока через образец, причем к выходу источника питания дополнительно включен конденсатор для обеспечения стабильности значений и исключения искажений импульсов тока, а источник управляющего импульсного напряжения через резистор подключен к затвору транзистора, при этом между общей точкой резистор-затвор транзистора и общей шиной подключен дополнительно введенный стабилитрон, ограничивающий амплитуду управляющего напряжения на затворе транзистора, для снижения влияния емкости затвора - сток и искажения задних фронтов прямоугольных импульсов параллельно со стабилитроном подключен второй резистор.
Высоковольтный электронный ключ для измерения вольт-амперных характеристик включает регулируемый источник питания 1, генератор импульсов 2, осциллограф 4, осциллограф 3, образец 4.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором представлена схема предлагаемого высоковольтного электронного ключа, содержащем один полевой транзистор VT1, в стоковую цепь которого включен исследуемый образец 4 (нагрузка), а в цепь истока включено опорное сопротивление R3, по напряжению на котором определяют силу тока через образец 4, а источник 2 управляющего импульсного напряжения через резистор R1 подключен к затвору транзистора VT1, для снижения влияния емкости затвор-сток и искажения задних фронтов прямоугольных импульсов, в общую точку резистор-затвор транзистора VT1 включен второй резистор R2 параллельно со стабилитроном VD1, ограничивающим амплитуду управляющего напряжения.
Напряжение на образце 4 определяется как разность приложенного напряжения от источника тока 1 и падения напряжения на опорном сопротивлении R3 и полевом транзисторе VT1 в его открытом состоянии, что учитывается в расчетных формулах для определения напряжения, приложенного к образцу 4.
3
1
1
1
2
Основным отличительным признаком, определяющим технический результат от использования предлагаемого высоковольтного электронного ключа, заключается в упрощение схемного решения при наличии одного полевого транзистора VD1, а также включение в стоковую цепь транзистора VD1 исследуемого образца, причем в цепь истока включено опорное сопротивление R, по напряжению на котором определяют силу тока через образец, а источник импульсного управляющего напряжения подключен к затвору через резистор R, к выходу источника дополнительно включена емкость С для обеспечения стабильности значений, и исключения искажений импульсов тока, в общую точку R-затвор включен резистор R параллельно со стабилитроном VD1, ограничивающим амплитуду управляющего сигнала.
1
1
3
Высоковольтный электронный ключ работает следующим образом: Регулируемое напряжение, прикладываемое к образцу 4, подается от источника питания 1, к выходу которого дополнительно включен конденсатор C для обеспечения стабильности значений и исключения искажений импульсов тока. Прямоугольные управляющие импульсы от генератора 2 подаются через R на затвор транзистора VD1, в сток которого включен исследуемый образец 4. Сила тока, протекающего через образец 4, определяется по падению напряжения на опорном сопротивлении Rизмеряемому с помощью осциллографа 3 и рассчитывается как,
Напряжение, приложенное к образцу 4 определяется
где - напряжение задаваемое блоком питания,
ТР
U - падение напряжения открытого транзистора,
OП
U - напряжение на опорном сопротивлении.
O
x
х
Изменяя напряжение U по значениям U и I, строится вольт-амперная характеристика.
На фиг. 2 a,b приведены вольт-амперные характеристики, зарегистрированные с помощью применения предлагаемого высоковольтного электронного ключа для двух образцов углеродосодержащих полимерных композитов на основе этиленвинилацетата с содержанием технического углерода 15 и 30 весовых процентов.
В первом из них, механизм проводимости обусловлен туннелированием, во втором имеет омическую природу, обусловленную сеткой непосредственно контактирующих частиц технического углерода.
Использование предлагаемого высоковольтного электронного ключа заключается в упрощение устройства, исключение работы измерительных приборов под высоким напряжением и возможности исключения нагрева исследуемых образцов в широком диапазоне напряженностей электрического поля, благодаря использованию импульсного режима регистрации вольт-амперных характеристик.