Высоковольтный электронный ключ Российский патент 2025 года по МПК H03K17/687 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к импульсной технике, и может быть использовано в установках для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) материалов с различными значениями проводимости в широком диапазоне напряженностей электрического поля в импульсном режиме.

Известен электронный ключ, 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 (RU 2024187, МПК Н03К 17/687, опубл. 30.11.1994).

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, 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 (RU 2764278, МПК Н02К 1/088, опубл. 17.01.2022).

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, 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 (RU 165994, МПК Н03К 17/687, опубл. 10.11.2016).

Недостатком ключа, как и предыдущего, является сложность исполнения ключа из-за наличия большого количества каскадов.

Известен электронный ключ, 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 (SU 1786653, МПК Н03К 17/687, опубл. 07.01.1993).

Недостатком ключа является сложность конструкции и наличие трансформатора.

Известен электронный ключ, 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 (SU 1760629, МПК Н03К 17/687, опубл. 07.09.1992).

Недостатком ключа является сложность конструкции и использование нескольких транзисторов.

Известен электронный ключ, 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 (SU 1750050, МПК Н03К 17/687, опубл. 23.07.1992).

Недостатком известного электронного ключа является сложность исполнения и использование двух транзисторов.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является электронный ключ, содержащий 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, 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, между общей точкой резистор-затвор транзистора и общей шиной подключен дополнительно введенный стабилитрон, ограничивающий амплитуду управляющего напряжения на затворе транзистора, для исключения влияния емкости затвор-сток транзистора и искажения задних фронтов прямоугольных импульсов параллельно со стабилитроном подключен второй резистор (RU 2780816, МПК H03K 17/00, H03K 17/687, H03K 3/00, опубл. 04.10.2022).

Недостаток ключа заключается в том, что при увеличении силы тока через исследуемый образец, а следовательно и через опорное сопротивление, возрастает напряжение отрицательной обратной связи, которое подается на затвор транзистора, что приводит к ограничению максимального значения силы тока через образец.

Цель изобретения - расширение диапазона силы электрического тока через образец при регистрации вольтамперных характеристик.

Технический результат заключается в исключении влияния отрицательной обратной связи, приводящей к ограничению силы тока через образец.

Сущность изобретения заключается в том, что высоковольтный электронный ключ содержит резисторы, конденсатор, полевой транзистор, в стоковую цепь которого включен исследуемый образец, к выходу источника питания 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 стабилитрон, ограничивающий амплитуду управляющего напряжения на затворе транзистора, параллельно со стабилитроном подключен второй резистор для исключения влияния емкости затвор - сток и искажения задних фронтов прямоугольных импульсов. Опорное сопротивление, по напряжению на котором, измеряемом с помощью осциллографа, определяют силу тока через образец, включено между отрицательным полюсом источника питания и общей шиной.

На чертеже представлена схема высоковольтного электронного ключа.

Высоковольтный электронный ключ для измерения вольт-амперных характеристик включает регулируемый источник питания 1, позволяющий изменять в широких пределах напряжение, подаваемое на образец, источник управляющего импульсного напряжения 2, осциллограф 3, образец 4. Полевой транзистор VT1, в стоковую цепь которого включен исследуемый образец 4 (нагрузка), цепь истока соединяется с общей шиной рабочей схемы, а опорное сопротивление R₃ включено между отрицательным полюсом источника питания 1 и общей шиной рабочей схемы, по напряжению на котором определяют силу тока через образец 4, а источник управляющего импульсного напряжения 2 через резистор R1 подключен к затвору транзистора VT1 для снижения влияния емкости затвор-сток транзистора VT1 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 питания 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.

Основной отличительный признак, определяющий технический результат от использования предлагаемого высоковольтного электронного ключа, заключается в том, что с целью исключения влияния отрицательной обратной связи, приводящей к ограничению силы тока через транзистор VT1 при определенном значении силы тока через опорное сопротивление R₃ и образец 4, резистор R₃ включен между отрицательным полюсом источника питания 1 и общей шиной рабочей схемы.

Высоковольтный электронный ключ работает следующим образом: Регулируемое напряжение, прикладываемое к образцу 4, подается от источника питания 1, к выходу которого включен конденсатор C₁ для обеспечения стабильности значений и исключения искажений импульсов тока. Прямоугольные управляющие импульсы от источника управляющего импульсного напряжения 2 подаются через R₁ на затвор транзистора VT1, в сток которого включен исследуемый образец 4. Сила тока, протекающего через образец 4, определяется по падению напряжения на опорном сопротивлении R₃ измеряемому с помощью осциллографа 3 и рассчитывается как,

.

Напряжение, приложенное к образцу 4 определяется как,

где U₀ - напряжение, задаваемое блоком питания,

U_TP - падение напряжения на открытом транзисторе,

U_OП - напряжение на опорном сопротивлении.

Изменяя напряжение U₀ по значениям U_x и I_х, строится вольт-амперная характеристика.

Изобретение позволяет исключить влияние отрицательной обратной связи, приводящей к ограничению силы тока через образец.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в установках для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) материалов с различными значениями проводимости. Технический результат - исключение влияния отрицательной обратной связи, приводящей к ограничению силы тока через образец. Для этого предложен высоковольтный электронный ключ, содержащий резисторы, конденсатор, полевой транзистор, в стоковую цепь которого включен исследуемый образец, к выходу источника питания 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 стабилитрон, ограничивающий амплитуду управляющего напряжения на затворе транзистора, параллельно со стабилитроном подключен второй резистор для исключения влияния емкости затвор-сток и искажения задних фронтов прямоугольных импульсов. Опорное сопротивление, по напряжению на котором, измеряемому с помощью осциллографа, определяют силу тока через образец, включено между отрицательным полюсом источника питания и общей шиной. 1 ил.

Высоковольтный электронный ключ, содержащий резисторы, конденсатор, полевой транзистор, в стоковую цепь которого включен исследуемый образец, к выходу источника питания 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 стабилитрон, ограничивающий амплитуду управляющего напряжения на затворе транзистора, параллельно со стабилитроном подключен второй резистор для исключения влияния емкости затвор-сток и искажения задних фронтов прямоугольных импульсов, отличающийся тем, что опорное сопротивление, по напряжению на котором, измеряемому с помощью осциллографа, определяют силу тока через образец, включено между отрицательным полюсом источника питания и общей шиной.