Стабилизатор тока на двух транзисторах (схема, плата, сборка, испытание) — Схемка: Электронные Радиосхемы

Схема простейшего стабилизатора тока

Выше представлена очень простая схема линейного стабилизатора тока на двух транзисторах: полевом и биполярном, первый силовой, он управляет нагрузкой (на схеме светодиод), а второй (маломощный) полупроводниковый прибор задаёт режим работы первого.

Принцип работы (работа стабилизатора тока)

Пусть наша нагрузка это R, будем считать, что её сопротивление почти не изменяется (R = const), ток мы хотим неизменный (I = const), а что у нас остаётся – только выходное напряжение на источнике тока, его то и будет подбирать схема, причём не просто от балды, а именно такое, при котором через вышеупомянутою нагрузку R потечёт ровно тот ток I, на который рассчитано устройство.

А вот разбор работы самой схемы:

после подключения источника питания через резистор R1 открывается полевой транзистор, через резистор R2-открытый канал сток-исток VT1 и нагрузку (светодиод) течёт ток. Чем больший ток, тем больше будет падать напряжения на резисторе, и когда оно достигнет значения открытия VT2 (для кремниевого биполярного примерно 0,60-0,75 В) тот откроется, через его ЭК потечёт ток от минуса к затвору VT1, тем самым прикрыв его, но не полностью, ведь R1 никуда не девается.

Примечание. Детали для данного экземпляра взяты со старых плат, в частности мощный полевой N-канальный транзистор MTD20N06V в DPAK (TO-252) исполнении с материнки, у него сопротивление открытого канала 65 мОм, а максимальное длительно приложенное напряжение затвор-исток 20 Вольт, питается схема от БП 12 Вольт (скачки напряжения не более нескольких Вольт), поэтому диод Зенера не понадобится. Биполярный транзистор – это известный

BC847A в SOT-23 корпусе. Резистор R1 = 11 кОм, R2 = 2 Ом типоразмера 1205 и мощностью 0.25 Вт. Этот экземпляр предназначен для стабилизированного тока:

Iстаб = UБЭ * R2 = 0. 6 В / 2 Ом = 300 мА

Испытание

Дорожки были начерчены маркером, поэтому плата немного отличается от разработанной, крепления под винтики сделаны не были. Подключаем устройство к источнику питания (у меня был трансформатор 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная, что ток относительно невелик я тупо замкнул выход амперметром, рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, показания ниже:

 

Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло  Uвых = 2.72 В при токе Iвых = 0.31 А, при этом на входе Uпит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

P1 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (10.88-2.72)*0.31 = 8.16*0.31 = 2.53 Вт

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно Uвых = 10. 32 В, Iвых = 0.29 А при Uпит = 11.22 В, получаем:

P2 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД η = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

Iвых = UБЭ/R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Проверка амперметром:

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для Iст

), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Увеличение стабильности

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным

ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы

VT2 почти не будет изменяться.

Печатные платы

Всё уместилось на маленьком кусочке (3 на 2 см) фольгированного текстолита, тепло отводится путём крепления всей платы на кусок алюминия винтами, спроектирована она с расчётом на крепёж M2, чтобы легко и надёжно закрепить её или попросту приклеить к теплоотводу теплопроводящим клеем (Stars 922). При необходимости её можно легко уменьшить почти в два раза раза два.

Список компонентов

Видео

В конечном счете

Такой условный источник тока можно использовать как стабилизатор тока для светодиодов в автомобиле (12 В-14,4 В), с помощью него подключать лазеры к какому-то трансформатору или ИБП со скачущим напряжением в несколько вольт или использовать в схемах зарядных устройств.

Но, как вы поняли использовать данное устройство можно с любой другой нагрузкой, требующей стабильного значения электрического тока. Этот стабилизатор рассеивает “лишнюю” энергию в виде теплоты, что может быть неприемлемо в ситуациях, когда разница напряжений большая и протекающий ток не мал, но, например, в условиях когда входное напряжение не сильно превышает выходное и ток стабилизации мал, почему бы и нет?

Стабилизатор тока на транзисторе

В процессе работы электрических сетей постоянно возникает необходимость в стабилизации тока. Данная процедура осуществляется с помощью специальных приборов, в число которых входит стабилизатор тока на транзисторе. Они широко применяются в различных электронных устройствах, а также при зарядке аккумуляторов всех типов. Стабилизаторы используются в интегральных микросхемах в качестве генераторов тока, создавая преобразовательные и усилительные каскады.

Простой стабилизатор тока на транзисторе

Обычные стабилизаторы тока обладают большим выходным сопротивлением, исключая тем самым влияние факторов сопротивления нагрузки и входного напряжения на величину выходного тока. Основным недостатком этих устройств является необходимость использования источника питания с высоким напряжением. В этом случае стабильность тока достигается применением резисторов с большим сопротивлением. Поэтому мощность, выделяемая резистором (P = I2 x R) при больших значениях токов может стать неприемлемой для нормальной работы системы. Гораздо лучше зарекомендовали себя стабилизаторы тока на транзисторах, которые выполняют свои функции, независимо от величины входного напряжения.

Наиболее простыми устройствами считаются диодные стабилизаторы. Благодаря им, электрические схемы значительно упрощаются, что приводит к снижению общей стоимости приборов. Работа схем становится более устойчивой и надежной. Эти качества сделали диодные стабилизаторы просто незаменимыми в обеспечении питания светодиодов. Диапазон напряжений, в котором они могут нормально функционировать, составляет 1,8-100 вольт. За счет этого становится возможным преодолевать импульсные и продолжительные изменения напряжения.

Поэтому свечение светодиодов может быть разной яркости и оттенков, в зависимости от тока, протекающего в цепи. Несколько таких светильников, включенных последовательно, работают в нормальном режиме при участии всего лишь одного диодного стабилизатора. Данная схема может быть легко преобразована, в зависимости от количества светодиодов и питающего напряжения. Необходимый ток задается стабилизаторами, включенными параллельно в светодиодную цепь.

Такие стабилизаторы установлены во многих конструкциях светодиодных светильников, в том числе применяется и стабилизатор тока на биполярном транзисторе. Это связано со свойствами светодиодов, обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой. То есть, когда на светодиоде изменяется напряжение, изменение тока происходит непропорционально. При постепенном увеличении напряжения, вначале наблюдается очень медленное возрастание тока и свечение светодиода отсутствует. После достижения напряжением порогового значения свет появляется и одновременно наблюдается очень быстрый рост тока.

Если напряжение продолжает увеличиваться, наступает критическое возрастание тока, что приводит к сгоранию светодиода. Поэтому значение порогового напряжения всегда указывается в числе характеристик светодиодных источников света. Светодиоды повышенной мощности выделяют много тепла и должны подключаться к специальным теплоотводам.

В связи с широким разбросом порогового напряжения, все светодиоды должны подключаться к источнику питания через стабилизатор. Даже у однотипных светодиодов может быть разное прямое напряжение. Следовательно, при параллельном подключении двух источников света, через них будет проходить разный ток. Отличие может быть настолько велико, что один из светодиодов раньше времени выйдет из строя или сразу сгорит.

С помощью стабилизатора для светодиода устанавливается значение заданного тока, независимо от напряжения, приложенного к схеме. Когда напряжение превышает пороговый уровень, ток, достигнув нужного значения, дальше уже не изменяется. При дальнейшем росте напряжения, оно остается неизменным на светодиоде, а возрастает лишь на стабилизаторе.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе схема

Скачки сетевого напряжения очень часто приводят к выходу из строя электроприборов, устройств и прочего оборудования. Для того чтобы предупредить возникновение подобных ситуаций применяются различные стабилизирующие устройства. Среди них широкой популярностью пользуются стабилизаторы тока на полевых транзисторах, обеспечивающие стабильную работу электрооборудования. В быту часто используется стабилизатор постоянного тока своими руками, схема которого позволяет решать основные задачи.

Основной функцией данных устройств является компенсация перепадов и скачков напряжения в сети. Стабилизаторы автоматически поддерживают точно заданные параметры тока. Помимо скачков тока, компенсируется изменение мощности нагрузки и температуры окружающей среды. Например, если мощность, потребляемая оборудованием, возрастет, то соответственно увеличится и потребляемый ток. Как правило это приводит к падению напряжения на сопротивлении проводов и источника тока.

Среди многих стабилизирующих устройств, наиболее надежной считается схема стабилизатора тока на полевике, в которой транзистор подключается последовательно с сопротивлением нагрузки. Это вызывает лишь незначительные изменения нагрузочного тока, тогда как значение входного напряжения постоянно меняется.

Для того чтобы знать, как работают такие стабилизаторы, нужно знать устройство и принцип действия полевых транзисторов. Данные элементы управляются электрическим полем, в связи с этим и возникло их название. Само электрическое поле возникает под действием приложенного напряжения, следовательно, все полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами, работающими под управлением напряжения, открывающего каналы этих устройств.

Принцип действия полевого транзистора

Полевой транзистор состоит из трех электродов – истока, стока и затвора. Вход заряженных частиц происходит через исток, а выход – через сток. Закрытие или открытие потока частиц осуществляется с помощью затвора, выполняющего функции крана. Заряженные частицы будут течь лишь при условии напряжения, которое должно быть приложено между стоком и истоком. Если напряжение отсутствует, то и тока в канале не будет. Следовательно, чем выше подаваемое напряжение, тем больше открывается кран. За счет этого ток в канале между стоком-истоком увеличивается, а сопротивление канала – уменьшается. Для источников питания предусмотрена работа полевых транзисторов в режиме ключа, обеспечивающая полное открытие или закрытие канала.

Данные свойства позволяют сделать расчет стабилизатора тока на транзисторе, обеспечивающего поддержание токовых параметров на определенном уровне. Использование полевых транзисторов определяет и принцип действия такого стабилизатора. Всем известно, что каждый идеальный источник тока обладает ЭДС, стремящейся к бесконечности и также бесконечно большим внутренним сопротивлением. Это позволяет получить ток с необходимыми параметрами, вне зависимости от сопротивления нагрузки.

В таком идеальном источнике возникает ток, который остается на одном и том же уровне, несмотря на изменения сопротивления нагрузки. Поддержание тока на неизменном уровне требует постоянного изменения величины ЭДС в диапазоне свыше нуля и до бесконечности. То есть сопротивление нагрузки и ЭДС должны изменяться таким образом, чтобы ток при этом стабильно оставался на том же уровне.

Однако на практике такая идеальная микросхема стабилизатора тока не сможет обеспечить всеми необходимыми качествами. Это связано с тем, что диапазон напряжения на нагрузке сильно ограничен и не поддерживает требуемого уровня тока. В реальных условиях источники тока и напряжения используются совместно. В качестве примера можно привести обычную сеть, напряжением 220 вольт, а также другие источники в виде аккумуляторов, генераторов, блоков питания и других устройств, вырабатывающих электроэнергию. К каждому из них могут последовательно подключаться стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Выходы этих устройств по сути являются источниками тока с нужными параметрами.

Таким образом, зависимость нагрузки и выходных характеристик полевого транзистора оказывает влияние на значение тока при минимальном и максимальном значении входного напряжения. Однако токовые изменения незначительны и не оказывают отрицательного влияния на потребителей.

Сборка стабилизатора тока из двух транзисторов

Стабилизаторы тока. Виды и устройство. Работа и применение

Стабилизаторы тока предназначены для стабилизации тока на нагрузке. Напряжение на нагрузке зависит от его сопротивления. Стабилизаторы необходимы для функционирования различных электронных приборов, например газоразрядные лампы.

Для качественного заряда аккумуляторов также необходимы стабилизаторы тока. Они используются в микросхемах для настройки тока каскадов преобразования и усиления. В микросхемах они играют роль генератора тока. В электрических цепях всегда есть разного рода помехи. Они отрицательно влияют на действие приборов и электрических устройств. С такой проблемой легко справляются стабилизаторы.

Виды стабилизаторов тока

Отличительной чертой стабилизаторов тока является их значительное выходное сопротивление. Это дает возможность исключить влияние напряжения на входе, и сопротивления нагрузки, на значение тока на выходе устройства. Стабилизаторы тока поддерживают выходной ток в определенных пределах, меняя при этом напряжение таким образом, что ток, протекающий по нагрузке, остается постоянным.

Стабилизаторы тока на резисторе

В элементарном случае генератором тока может быть схема, состоящая из блока питания и сопротивления. Подобная схема часто используется для подключения светодиода, выполняющего функцию индикатора.

Из недостатков такой схемы можно отметить необходимость использования высоковольтного источника. Только при таком условии можно использовать резистор, имеющий высокое сопротивление, и получить хорошую стабильность тока. На сопротивлении рассеивается мощность P = I ² х R.

Стабилизаторы на транзисторах

Значительно лучше функционируют стабилизаторы тока, собранные на транзисторах.

Можно выполнить настройку падения напряжения таким образом, что оно будет очень маленьким. Это дает возможность снижения потерь при хорошей стабильности тока на выходе. На выходе транзистора сопротивление очень большое. Такая схема применяется для подключения светодиодов или зарядки аккумуляторных батарей малой мощности.

Напряжение на транзисторе определяется стабилитроном VD1. R2 играет роль датчика тока и обуславливает ток на выходе стабилизатора. При увеличении тока падение напряжения на этом резисторе становится больше. Напряжение поступает на эмиттер транзистора. В итоге напряжение на переходе база-эмиттер, которое равно разности напряжения базы и эмиттерного напряжения, снижается, и ток возвращается к заданной величине.

Схема токового зеркала

Аналогично функционируют генераторы тока. Популярной схемой таких генераторов является «токовое зеркало», в которой вместо стабилитрона применяется биполярный транзистор, а точнее, эмиттерный переход. Вместо сопротивления R2 применяется сопротивление эмиттера.

Стабилизаторы тока на полевике

Схема с применением полевых транзисторов более простая.

Нагрузочный ток проходит через R1. Ток в цепи: «+» источника напряжения, сток-затвор VТ1, нагрузочное сопротивление, отрицательный полюс источника – очень незначительный, так как сток-затвор имеет смещение в обратную сторону.

Напряжение на R1 положительное: слева «-», справа напряжение равно напряжению правого плеча сопротивления. Поэтому напряжение затвора относительно истока минусовое. При снижении нагрузочного сопротивления, ток повышается. Поэтому напряжение затвора по сравнению с истоком имеет еще большую разницу. Вследствие этого транзистор закрывается сильнее.

При большем закрытии транзистора нагрузочный ток снизится, и возвратится к начальной величине.

Устройства на микросхеме

В прошлых схемах имеются элементы сравнения и регулировки. Аналогичная структура схемы применяется при проектировании устройств, выравнивающих напряжение. Отличие устройств, стабилизирующих ток и напряжение, заключается в том, что в цепь обратной связи сигнал приходит от датчика тока, который подключен к цепи нагрузочного тока. Поэтому для создания стабилизаторов тока используют популярные микросхемы 142 ЕН 5 или LМ 317.

Здесь роль датчика тока играет сопротивление R1, на котором стабилизатор поддерживает постоянное напряжение и нагрузочный ток. Величина сопротивления датчика значительно ниже, чем нагрузочное сопротивление. Снижение напряжения на датчике влияет на напряжение выхода стабилизатора. Подобная схема хорошо сочетается с зарядными устройствами, светодиодами.

Импульсный стабилизатор

Высокий КПД имеют импульсные стабилизаторы, выполненные на основе ключей. Они способны при незначительном напряжении входа создавать высокое напряжение на потребителе. Такая схема собрана на микросхеме МАХ 771.

Сопротивления R1 и R2 играют роль делителей напряжения на выходе микросхемы. Если напряжение на выходе микросхемы становится выше опорного значения, то микросхема снижает выходное напряжение, и наоборот.

Если схему изменить таким образом, чтобы микросхема реагировала и регулировала ток на выходе, то получится стабилизированный источник тока.

При падении напряжения на R3 ниже 1,5 В, схема работает в качестве стабилизатора напряжения. Как только нагрузочный ток повышается до определенного уровня, то на резисторе R3 падение напряжения становится больше, и схема действует как стабилизатор тока.

Сопротивление R8 подключается по схеме тогда, когда напряжение становится выше 16,5 В. Сопротивление R3 задает ток. Отрицательным моментом этой схемы можно отметить значительное падение напряжения на токоизмерительном сопротивлении R3. Эту проблему можно решить путем подключения операционного усилителя для усиления сигнала с сопротивления R3.

Устройство и принцип действия

На нестабильность нагрузочного тока влияет значение сопротивления и напряжения на входе. Пример: в котором сопротивление нагрузки постоянно, а напряжение на входе повышается. Ток нагрузки при этом также возрастает.

В результате этого повысится ток и напряжение на сопротивлениях R1 и R2. Напряжение стабилитрона станет равным сумме напряжений сопротивлений R1, R2 и на переходе VT1 база-эмиттер: Uvd1=UR1+UR2+UVT1(б/э)

Напряжение на VD1 не меняется при меняющемся входном напряжении. Вследствие этого ток на переходе база-эмиттер снизится, и повысится сопротивление между клеммами эмиттер-коллектор. Сила тока на переходе коллектор-эмиттере и нагрузочное сопротивление станет снижаться, то есть переходить к первоначальной величине. Так выполняется выравнивание тока и поддержание его на одном уровне.

Стабилизатор для светодиодов

Изготовить такое устройство самостоятельно можно с применением микросхемы LМ 317. Для этого останется только подобрать резистор. Питание для стабилизатора целесообразно применять следующее:

• Блок от принтера на 32 В.
• Блок от ноутбука на 19 В.
• Любой блок питания на 12 В.

Достоинством такого устройства является низкая стоимость, простота конструкции, повышенная надежность. Сложную схему нет смысла собирать самостоятельно, проще ее приобрести.

Похожие темы:

Стабилизаторы тока » PRO-диод

Стабилизаторы тока

25.10.2013 | Рубрика: Электроника

Бывают случаи, когда необходимо пропускать стабильный ток через светодиоды, ограничить ток зарядки аккумуляторов или испытать источник питания, а реостата под рукой нет. В этом, и не только, случае помогут специальные схемотехнические решения ограничивающие, регулирующие и стабилизирующие ток. Далее подробно рассмотрены схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Источники тока, в отличие от источников напряжения, стабилизируют выходной ток, изменяя выходное напряжение так, чтобы ток через нагрузку всегда оставался одинаковым.
Таким образом, источник тока отличается от источника напряжения, как вода отличается от суши.

 Типичное применение источников тока – питание светодиодов, зарядка аккумуляторов и т.п.
Внимание! Не путайте стабилизатор тока со стабилизатором напряжения! Это может плохо кончиться =)

Простой стабилизатор тока на КРЕНке

Для этого стабилизатора тока достаточно применить КР142ЕН12 или LM317. Это регулируемые стабилизаторы напряжения способные работать с токами до 1,5А, входными напряжениями до 40В и рассеивают мощность до 10Вт (при соблюдении теплового режима).
Схема и применение показаны на рисунках ниже

Стабилизатор тока на КР142ЕН12 (LM317)

Стабилизатор тока на КРЕН в качестве зярядного устройства

Собственное потребление данных микросхем относительно невелико – около 8мА и это потребление практически не меняется при изменении тока протекающего через крен или изменения входного напряжения. Как видим, в вышеприведенных схемах, стабилизатор LM317 работает как стабилизатор напряжения, удерживая на резисторе R3 постоянное напряжение, которое можно регулировать в некоторых пределах построечным резистором R2.

В данном случае R3 называется токозадающим резистором. Поскольку сопротивление R3 неизменно, то ток через него будет стабильным. Ток на входе крен будет примерно на 8мА больше.

Таким образом, мы получили простой как веник стабилизатор тока, который может применяться как электронная нагрузка, источник тока для заряда аккумуляторов и т.п.

Интегральные стабилизаторы достаточно шустро реагируют на изменение входного напряжения. Недостаток же такого регулятора тока – весьма большое сопротивление токозадающего резистора R3 и как следствие необходимость применять более мощные и более дорогие резисторы.

Простой стабилизатор тока на двух транзисторах

Достаточно широкое распространение получили простенькие стабилизаторы тока на двух транзисторах. Основной минус данной схемы – не очень хорошая стабильность тока в нагрузке при изменении питающего напряжения. Впрочем, для многих применений сгодятся и такие характеристики.

Далее показана схема стабилизатора тока на транзисторе. В данной схеме токозадающим резистором является R2. При увеличении тока через VT2, увеличится напряжение на токозадающем резисторе R2, которое при величине примерно 0,5…0,6В начинает открывать транзистор VT1. Транзистор VT1 открываясь начинает закрывать транзистор VT2 и ток через VT2 уменьшается.

Стабилизатор тока на транзисторах

Зарядка аккумуляторов

Вместо биполярного транзистора VT2, можно применить MOSFET – полевой транзистор.

Стабилитрон VD1 выбирается на напряжение 8…15В и необходим в случаях, когда напряжение источника питания достаточно велико и может пробить затвор полевого транзистора. Для мощных MOSFET это напряжение составляет порядка 20В. Далее показана схема стабилизатора тока с использованием MOSFET.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Нужно учитывать, что MOSFET открываются при напряжении на затворе не менее 2В, соответственно увеличивается и напряжение, необходимое для нормальной работы схемы стабилизатора тока. При зарядке аккумуляторов и некоторых других задачах вполне достаточно будет включить транзистор VT1 с резистором R1 непосредственно к источнику питания так, как это показано на рисунке:

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В схемах стабилизатора тока на транзисторах необходимое значение токозадающего резистора для заданного значения тока примерно в два раза меньше, чем в схемах со стабилизатором на КР142ЕН12 или LM317. Это позволяет применить токозадающий резистор меньшей мощности.

Стабилизатор тока на операционном усилителе (на ОУ)

Если необходимо собрать регулируемый в широких пределах стабилизатор тока или стабилизатор тока с токозадающим резистором на порядок или даже два ниже, чем на схемах, показанных ранее, можно применить схему с усилителем ошибки на ОУ (операционном усилителе). Схема такого стабилизатора тока показана на рис:

Стабилизатор тока на операционном усилителе

В данной схеме токозадающим является резистор R7. ОУ DA2.2 усиливает напряжение токозадающего резистора R7 – это усиленное напряжение ошибки. ОУ DA2.1 сравнивает опорное напряжение и напряжение ошибки и регулирует состояние полевого транзистора VT1.

Обратите внимание, что схема требует отдельного питания, подаваемого на разъем XP2. Напряжение питания должно быть достаточным для работы компонентов схемы и не превышать значения напряжения пробоя затвора MOSFET VT1.

В качестве генератора опорного напряжения в схеме на рис. 7 применена микросхема DA1 REF198 с выходным напряжением 4,096В. Это достаточно дорогая микросхема, поэтому ее можно заменить обычной кренкой, а если напряжение питания схемы (+U) является стабильным, то и вовсе обойтись без стабилизатора напряжения в данной схеме. В этом случае переменный резистор R подсоединяется не к REF, а к +U. В случае электронного управления схемой вывод 3 DA2.1 можно подключить непосредственно к выходу ЦАП.

Для настройки схемы необходимо выставить ползунок переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение, подстроечным резистором R3 установить необходимое значение тока – это значение будет максимальным. Теперь резистором R1 можно регулировать ток через VT1 от 0 до установленного при настройке максимального тока. Элементы R2, C2, R4 необходимы для предотвращения возбуждения схемы. Из-за этих элементов временные характеристики не являются идеальными, что видно по осциллограмме

Осциллограмма стабилизатора тока на ОУ

На осциллограмме луч 1 (желтый) показывает напряжение нагружаемого ИП (источника питания), луч 2 (голубой) показывает напряжение на токозадающем резисторе R7. Как видно, в течение 80 мкс через схему протекает ток в несколько раз больше установленного.

Стабилизатор тока на микросхеме импульсного стабилизатора напряжения

Иногда от стабилизатора тока требуется не только работать в широком диапазоне питающих напряжений и нагрузок, но и иметь высокий КПД. В этих случаях компенсационные стабилизаторы не годятся и на смену им приходят стабилизаторы импульсные (ключевые). Кроме того, импульсные стабилизаторы могут при небольшом входном напряжении получать высокое напряжение на нагрузке.

Далее предлагается к рассмотрению широко распространенная микросхема MAX771. Основные характеристики MAX771:

• Напряжение питяния 2…16,5В
• Собственное потребление 110uA
• Выходная мощность до 15W
• КПД при токе нагрузки 10mA…1A достигает 90%
• Опорное напряжение 1,5V

На рисунке показан один из вариантов включения микросхемы, именно его мы и возьмем за основу нашей схемы.

MAX771 включен как повышающий стабилизатор напряжения

Упрощенно процесс стабилизации выглядит следующим образом. Резисторы R1 и R2 являются делителями выходного напряжения микросхемы, как только делимое напряжение, поступающее на вывод FB микросхемы MAX771, больше опорного напряжения (1,5V) микросхема уменьшает выходное напряжение и наоборот — если напряжение на выводе FB меньше 1,5V, микросхема увеличивает входное напряжение.

Очевидно, что если контрольные цепи изменить так, чтобы MAX771 реагировала (и соответственно регулировала) выходной ток, то мы полчим стабилизированный источник тока.
Ниже показаны модифицированная схема с ограничением выходного напряжения и вариант нагрузки.

Схема стабилизатора тока на MAX771

Нагрузка для стабилизатора тока

При небольшой нагрузке, пока падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 меньше 1,5V, схема на Рис.10a работает как стабилизатор напряжения, стабилизируя напряжение на уровне стабилитрона VD2 + 1,5V. Как только ток нагрузки становится достаточно большим, на R3 падение напряжения увеличивается и схема переходит в режим стабилизации тока.

Резистор R8 устанавливается в том случае, если напряжение стабилизации может быть большим — больше 16,5V. Резистор R3 является токозадающим и рассчитывается по формуле: R3 = 1,5/Iст.
Недостатком схемы является достаточно большое падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3. Данный недостаток устраняется применением операционного усилителя (ОУ) для усиления сигнала с резистора R3. Например, если резистор требуется уменьшить в 10 раз при заданном токе, то усилитель на ОУ должен усилить напряжение падающее на R3 тоже в 10 раз.

Заключение

Итак, было рассмотрено несколько схем выполняющих функцию стабилизации тока. Конечно же, эти схемы можно улучшать, увеличивая быстродействие, точность и т.д. Можно применять в качестве датчика тока специализированные микросхемы и делать сверхмощные регулирующие элементы, но эти схемы идеально подходят в тех случаях, когда требуется быстро создать инструмент для облегчения своей работы или решения определенного круга задач.

Метки:: Стабилизатор тока

Схемы стабилизатора тока СВОИМИ РУКАМИ

В каждой электрической сети периодически возникают помехи, отрицательно влияющие на стандартные параметры тока и напряжения.
Данная проблема успешно решается с помощью различных устройств, среди которых очень популярны и эффективны стабилизаторы тока. Они имеют различные технические характеристики, что делает возможным их использование совместно с любыми бытовыми электроприборами и оборудованием. Особые требования предъявляются к измерительному оборудованию, требующему стабильного напряжения. Общее устройство и принцип работы стабилизаторов тока Знание основных принципов работы стабилизаторов тока способствует наиболее эффективному использованию этих устройств. Электрические сети буквально насыщены различными помехами, негативно влияющими на работу бытовых приборов и электрооборудования. Для преодоления отрицательных воздействий используется схема простого стабилизатора напряжения и тока.
В каждом стабилизаторе имеется основной элемент – трансформатор, обеспечивающий работу всей системы. Самая простая схема включает в свой состав выпрямительный мост, соединенный с различными типами конденсаторов и резисторов. Их основными параметрами считаются индивидуальная емкость и предельное сопротивление. Сам стабилизатор тока работает по очень простой схеме. Когда ток поступает на трансформатор, его предельная частота изменяется. На входе она будет совпадать с частотой электрической сети и составит 50 Гц. После того как будут выполнены все преобразования тока, предельная частота на выходе снизится до 30 Гц. В схеме преобразования участвуют высоковольтные выпрямители, с помощью которых определяется полярность напряжения. Конденсаторы непосредственно участвуют в стабилизации тока, а резисторы снижают помехи. Диодный стабилизатор тока Во многих конструкциях светильников имеются диодные стабилизаторы, более известные как стабилизаторы тока для светодиодов. Как и все типы диодов, светодиоды обладают нелинейной вольтамперной характеристикой. То есть, при изменяющемся напряжении на светодиоде, происходит непропорциональное изменение тока. С ростом напряжения вначале наблюдается очень медленное возрастание тока, в результате, свечение светодиода отсутствует. Затем, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света и очень быстрое возрастание тока. Дальнейший рост напряжения приводит к катастрофическому увеличению тока и перегоранию светодиода. Значение порогового напряжения отражается в технических характеристиках светодиодных источников света.

Светодиоды с высокой мощностью требуют установки теплоотвода, поскольку их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Кроме того, для них требуется и достаточно мощный стабилизатор тока. Правильная работа светодиодов также обеспечивается стабилизирующими устройствами. Это связано с сильным разбросом порогового напряжения даже у однотипных источников света. Если два таких светодиода подключить параллельно к одному источнику напряжения, по ним будет проходить ток разной величины. Разница может быть настолько существенной, что один из светодиодов сразу же сгорит. Таким образом, не рекомендуется включение светодиодных источников света без стабилизаторов. Данные устройства устанавливают ток заданного значения без учета напряжения, приложенного к схеме. К наиболее современным приборам относится двухвыводной стабилизатор для светодиодов, применяющийся для создания недорогих решений по управлению светодиодами. В его состав входит полевой транзистор, обвязочные детали и другие радиоэлементы. Схемы стабилизаторов тока на КРЕН Данная схема стабильно работает с использованием таких элементов, как КР142ЕН12 или LM317. Они являются регулируемыми стабилизаторами напряжения, работающими с током до 1,5А и входным напряжением до 40В. В нормальном тепловом режиме эти устройства способны рассеивать мощность до 10Вт. Эти микросхемы обладают низким собственным потреблением, составляющим примерно 8мА. Данный показатель остается неизменным даже при изменяющемся токе, проходящем через КРЕН и измененном входном напряжении.

Элемент LM317 способен удерживать на основном резисторе постоянное напряжение, регулируемое в определенных пределах с помощью подстроечного резистора. Основной резистор с неизменным сопротивлением обеспечивает стабильность проходящего через него тока, поэтому он известен еще, как токозадающий резистор. Стабилизатор на КРЕН отличается простотой и может использоваться в качестве электронной нагрузки, зарядки аккумуляторов и в других областях. Стабилизатор тока на двух транзисторах Благодаря своему простому исполнению, в электронных схемах очень часто используются стабилизаторы на двух транзисторах. Их основным недостатком считается не вполне стабильный ток в нагрузках при изменяющемся напряжении. Если же не требуется высоких токовых характеристик, то данное стабилизирующее устройство вполне сгодится для решения многих несложных задач.
Кроме двух транзисторов в схеме стабилизатора присутствует токозадающий резистор. Когда на одном из транзисторов (VT2) увеличивается ток, возрастает напряжение на токозадающем резисторе. Под действием этого напряжения (0,5-0,6В) начинает открываться другой транзистор (VT1). При открытии этого транзистора, другой транзистор – VT2 начинает закрываться. Соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через него. В качестве VT2 используется биполярный транзистор, однако в случае необходимости возможно создать регулируемый стабилизатор тока на полевом транзисторе MOSFET, используемом в качестве стабилитрона. Его выбор осуществляется исходя из напряжения 8-15 вольт. Данный элемент используется при слишком высоком напряжении источника питания, под действием которого затвор в полевом транзисторе может быть пробит. Более мощные стабилитроны MOSFET рассчитаны на более высокое напряжение – 20 вольт и более. Открытие таких стабилитронов происходит при минимальном значении напряжения на затворе 2 вольта. Соответственно, происходит и увеличение напряжения, обеспечивающего нормальную работу схемы стабилизатора тока. Регулируемый стабилизатор постоянного тока Иногда возникает необходимость в стабилизаторах тока с возможностью регулировок в широком диапазоне. В некоторых схемах может использоваться токозадающий резистор с пониженными характеристиками. В этом случае необходимо применять усилитель ошибки, основой которого служит операционный усилитель.
С помощью одного токозадающего резистора происходит усиление напряжения в другом резисторе. Это состояние называется усиленным напряжением ошибки. С помощью опорного усилителя сравниваются параметры опорного напряжения и напряжения ошибки, после чего выполняется регулировка состояния полевого транзистора. Для такой схемы требуется отдельное питание, которое подается к отдельному разъему. Питающее напряжение должно обеспечивать нормальную работу всех компонентов схемы и не превышать уровня, достаточного для пробоя полевого транзистора. Правильная настройка схемы требует установки ползунка переменного резистора в самое верхнее положение. С помощью подстроечного резистора выставляется максимальное значение тока. Таким образом, переменный резистор позволяет выполнять регулировку тока от нуля до максимального значения, установленного в процессе настройки. Мощный импульсный стабилизатор тока Широкий диапазон питающих токов и нагрузок не всегда является основным требованием к стабилизаторам. В некоторых случаях решающее значение отводится высокому коэффициенту полезного действия прибора. Эту задачу успешно решает микросхема импульсного стабилизатора тока, заменяющая компенсационные стабилизаторы. Приборы этого типа позволяют создавать высокое напряжение на нагрузке даже при наличии невысокого входного напряжения.
Кроме того, существует повышающий стабилизатор тока импульсного типа. Они используются вместе с нагрузками, питающее напряжение которых превышает входное напряжение стабилизирующего устройства. В качестве делителей выходного напряжения используются два резистора, задействованные в микросхеме, с помощью которой входное и выходное напряжение поочередно уменьшается или увеличивается.
Источник: https://electric-220.ru/news/stabilizatory_toka/2017-05-23-1273

Схемы преобразователей для светодиодов на полевых транзисторах. Драйвер светодиода на mc34063. Схема и описание. Какой стабилизатор использовать в авто

Несмотря на богатый выбор в магазинах светодиодных фонариков различных конструкций, радиолюбители разрабатывают свои варианты схем для питания белых суперярких светодиодов. В основном задача сводится к тому, как запитать светодиод всего от одной батарейки или аккумулятора, провести практические исследования.

После того, как получен положительный результат, схема разбирается, детали складываются в коробочку, опыт завершен, наступает моральное удовлетворение. Часто исследования на этом останавливаются, но иногда опыт сборки конкретного узла на макетной плате переходит в реальную конструкцию, выполненную по всем правилам искусства. Далее рассмотрены несколько простых схем, разработанных радиолюбителями.

В ряде случаев установить, кто является автором схемы очень трудно, поскольку одна и та же схема появляется на разных сайтах и в разных статьях. Часто авторы статей честно пишут, что эту статью нашли в интернете, но кто опубликовал эту схему впервые, неизвестно. Многие схемы просто срисовываются с плат тех же китайских фонариков.

Зачем нужны преобразователи

Все дело в том, что прямое падение напряжения на , как правило, не менее 2,4…3,4В, поэтому от одной батарейки с напряжением 1,5В, а тем более аккумулятора с напряжением 1,2В зажечь светодиод просто невозможно. Тут есть два выхода. Либо применять батарею из трех или более гальванических элементов, либо строить хотя бы самый простой .

Именно преобразователь позволит питать фонарик всего от одной батарейки. Такое решение уменьшает расходы на источники питания, а кроме того позволяет полнее использовать : многие преобразователи работоспособны при глубоком разряде батареи до 0,7В! Использование преобразователя также позволяет уменьшить габариты фонарика.

Схема представляет собой блокинг-генератор. Это одна из классических схем электроники, поэтому при правильной сборке и исправных деталях начинает работать сразу. Главное в этой схеме правильно намотать трансформатор Tr1, не перепутать фазировку обмоток.

В качестве сердечника для трансформатора можно использовать ферритовое кольцо с платы от негодной . Достаточно намотать несколько витков изолированного провода и соединить обмотки, как показано на рисунке ниже.

Трансформатор можно намотать обмоточным проводом типа ПЭВ или ПЭЛ диаметром не более 0,3мм, что позволит уложить на кольцо чуть большее количество витков, хотя бы 10…15, что несколько улучшит работу схемы.

Обмотки следует мотать в два провода, после чего соединить концы обмоток, как показано на рисунке. Начало обмоток на схеме показано точкой. В качестве можно использовать любой маломощный транзистор n-p-n проводимости: КТ315, КТ503 и подобные. В настоящее время проще найти импортный транзистор, например BC547.

Если под рукой не окажется транзистора структуры n-p-n, то можно применить , например КТ361 или КТ502. Однако, в этом случае придется поменять полярность включения батарейки.

Резистор R1 подбирается по наилучшему свечению светодиода, хотя схема работает, даже если его заменить просто перемычкой. Вышеприведенная схема предназначена просто «для души», для проведения экспериментов. Так после восьми часов беспрерывной работы на один светодиод батарейка с 1,5В «садится» до 1,42В. Можно сказать, что почти не разряжается.

Для исследования нагрузочных способностей схемы можно попробовать подключить параллельно еще несколько светодиодов. Например, при четырех светодиодах схема продолжает работать достаточно стабильно, при шести светодиодах начинает греться транзистор, при восьми светодиодах яркость заметно падает, транзистор греется весьма сильно. А схема, все-таки, продолжает работать. Но это только в порядке научных изысканий, поскольку транзистор в таком режиме долго не проработает.

Если на базе этой схемы планируется создать простенький фонарик, то придется добавить еще пару деталей, что обеспечит более яркое свечение светодиода.

Нетрудно видеть, что в этой схеме светодиод питается не пульсирующим, а постоянным током. Естественно, что в этом случае яркость свечения будет несколько выше, а уровень пульсаций излучаемого света будет намного меньше. В качестве диода подойдет любой высокочастотный, например, КД521 ().

Преобразователи с дросселем

Еще одна простейшая схема показана на рисунке ниже. Она несколько сложнее, чем схема на рисунке 1 , содержит 2 транзистора, но при этом вместо трансформатора с двумя обмотками имеет только дроссель L1. Такой дроссель можно намотать на кольце все от той же энергосберегающей лампы, для чего понадобится намотать всего 15 витков обмоточного провода диаметром 0,3…0,5мм.

При указанном параметре дросселя на светодиоде можно получить напряжение до 3,8В (прямое падение напряжения на светодиоде 5730 3,4В), что достаточно для питания светодиода мощностью 1Вт. Наладка схемы заключается в подборе емкости конденсатора C1 в диапазоне ±50% по максимальной яркости светодиода. Схема работоспособна при снижении напряжения питания до 0,7В, что обеспечивает максимальное использование емкости батареи.

Если рассмотренную схему дополнить выпрямителем на диоде D1, фильтром на конденсаторе C1, и стабилитроном D2, получится маломощный блок питания, который можно применить для питания схем на ОУ или других электронных узлов. При этом индуктивность дросселя выбирается в пределах 200…350 мкГн, диод D1 с барьером Шоттки, стабилитрон D2 выбирается по напряжению питаемой схемы.

При удачном стечении обстоятельств с помощью такого преобразователя можно получить на выходе напряжение 7…12В. Если предполагается использовать преобразователь для питания только светодиодов, стабилитрон D2 можно из схемы исключить.

Все рассмотренные схемы являются простейшими источниками напряжения: ограничение тока через светодиод осуществляется примерно так же, как это делается в различных брелоках или в зажигалках со светодиодами.

Светодиод через кнопку включения, без всякого ограничительного резистора, питается от 3…4-х маленьких дисковых батареек, внутреннее сопротивление которых ограничивает ток через светодиод на безопасном уровне.

Схемы с обратной связью по току

А светодиод является, все-таки, токовым прибором. Неспроста в документации на светодиоды указывается именно прямой ток. Поэтому настоящие схемы для питания светодиодов содержат обратную связь по току: как только ток через светодиод достигает определенного значения, выходной каскад отключается от источника питания.

В точности также работают и стабилизаторы напряжения, только там обратная связь по напряжению. Ниже показана схема для питания светодиодов с токовой обратной связью.

При внимательном рассмотрении можно увидеть, что основой схемы является все тот же блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT2. Транзистор VT1 является управляющим в цепи обратной связи. Обратная связь в данной схеме работает следующим образом.

Светодиоды питаются напряжением, которое накапливается на электролитическом конденсаторе. Заряд конденсатора производится через диод импульсным напряжением с коллектора транзистора VT2. Выпрямленное напряжение используется для питания светодиодов.

Ток через светодиоды проходит по следующему пути: плюсовая обкладка конденсатора, светодиоды с ограничительными резисторами, резистор токовой обратной связи (сенсор) Roc, минусовая обкладка электролитического конденсатора.

При этом на резисторе обратной связи создается падение напряжения Uoc=I*Roc, где I ток через светодиоды. При возрастании напряжения на (генаратор, все-таки, работает и заряжает конденсатор), ток через светодиоды увеличивается, а, следовательно, увеличивается и напряжение на резисторе обратной связи Roc.

Когда Uoc достигает 0,6В транзистор VT1 открывается, замыкая переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2 закрывается, блокинг-генератор останавливается, и перестает заряжать электролитический конденсатор. Под воздействием нагрузки конденсатор разряжается, напряжение на конденсаторе падает.

Уменьшение напряжения на конденсаторе приводит к снижению тока через светодиоды, и, как следствие, уменьшению напряжения обратной связи Uoc. Поэтому транзистор VT1 закрывается и не препятствует работе блокинг-генератора. Генератор запускается, и весь цикл повторяется снова и снова.

Изменяя сопротивление резистора обратной связи можно в широких пределах изменять ток через светодиоды. Подобные схемы называются импульсными стабилизаторами тока.

Интегральные стабилизаторы тока

В настоящее время стабилизаторы тока для светодиодов выпускаются в интегральном исполнении. В качестве примеров можно привести специализированные микросхемы ZXLD381, ZXSC300. Схемы, показанные далее, взяты из даташитов (DataSheet) этих микросхем.

На рисунке показано устройство микросхемы ZXLD381. В ней содержится генератор ШИМ (Pulse Control), датчик тока (Rsense) и выходной транзистор. Навесных деталей всего две штуки. Это светодиод LED и дроссель L1. Типовая схема включения показана на следующем рисунке. Микросхема выпускается в корпусе SOT23. Частота генерации 350КГц задается внутренними конденсаторами, изменить ее невозможно. КПД устройства 85%, запуск под нагрузкой возможен уже при напряжении питания 0,8В.

Прямое напряжение светодиода должно быть не более 3,5В, как указано в нижней строчке под рисунком. Ток через светодиод регулируется изменением индуктивности дросселя, как показано в таблице в правой части рисунка. В средней колонке указан пиковый ток, в последней колонке средний ток через светодиод. Для снижения уровня пульсаций и повышения яркости свечения возможно применение выпрямителя с фильтром.

Здесь применяется светодиод с прямым напряжением 3,5В, диод D1 высокочастотный с барьером Шоттки, конденсатор C1 желательно с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (low ESR). Эти требования необходимы для того, чтобы повысить общий КПД устройства, по возможности меньше греть диод и конденсатор. Выходной ток подбирается при помощи подбора индуктивности дросселя в зависимости от мощности светодиода.

Отличается от ZXLD381 тем, что не имеет внутреннего выходного транзистора и резистора-датчика тока. Такое решение позволяет значительно увеличить выходной ток устройства, а следовательно применить светодиод большей мощности.

В качестве датчика тока используется внешний резистор R1, изменением величины которого можно устанавливать требуемый ток в зависимости от типа светодиода. Расчет этого резистора производится по формулам, приведенным в даташите на микросхему ZXSC300. Здесь эти формулы приводить не будем, при необходимости несложно найти даташит и подсмотреть формулы оттуда. Выходной ток ограничивается лишь параметрами выходного транзистора.

При первом включении всех описанных схем желательно батарейку подключать через резистор сопротивлением 10Ом. Это поможет избежать гибели транзистора, если, например, неправильно подключены обмотки трансформатора. Если с этим резистором светодиод засветился, то резистор можно убирать и проводить дальнейшие настройки.

Борис Аладышкин

Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.

Назначение и принцип работы

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, ). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно .

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и R set .

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора R sens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

Стабилизатор на LM317

В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.

LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.

Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:

Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:

Регулируемый стабилизатор

Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:

Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками

Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.

Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.

Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.

Какой стабилизатор использовать в авто

Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, ). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.

Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема .

Вывод

Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.

http://electro-tehnyk. *****/docs/led_lait. htm

Светодиодный фонарик с 3-х вольтовым конвертором для светодиода 0.3-1.5V 0.3-1.5 V LED FlashLight

Обычно, для работы синего или белого светодиода требуется 3 — 3,5v, данная схема позволяет запитать синий или белый светодиод низким напряжением от одной пальчиковой батарейки. Normally, if you want to light up a blue or white LED you need to provide it with V, like from a 3 V lithium coin cell.

Детали:
Светодиод
Ферритовое кольцо (диаметром ~10 мм)
Провод для намотки (20 см)
Резистор на 1кОм
N-P-N транзистор
Батарейка

Параметры используемого трансформатора:
Обмотка, идущая на светодиод, имеет ~45 витков, намотанных проводом 0.25мм.
Обмотка, идущая на базу транзистора, имеет ~30 витков провода 0.1мм.
Базовый резистор в этом случае имеет сопротивление около 2К.
Вместо R1 желательно поставить подстроечный резистор, и добиться тока через диод ~22мА, при свежей батарейке измерить его сопротивление, заменив потом его постоянным резистором полученного номинала.

Собранная схема обязана работать сразу.
Возможны только 2 причины, по которым схема работать не будет.
1. перепутаны концы обмотки.
2. слишком мало витков базовой обмотки.
Генерация исчезает, при количестве витков

Куски проводов сложить вместе и намотать на кольцо.
Соединить между собой два конца разных проводов.
Схему можно расположить внутри подходящего корпуса.
Внедрение такой схемы в фонарь, работающий от 3V существенно продлевает, продолжительность его работы от одного комплекта батареек.

Вариант исполнения фонаря от одной батарейки 1,5в.

Транзистор и сопротивление помещаются внутрь ферритового кольца

Белый светодиод работает от севшей батарейки ААА

Вариант модернизации «фонарик – ручка»

Возбуждение изображенного на схеме блокинг-генератора достигается трансформаторной связью на Т1. Импульсы напряжения, возникающие в правой (по схеме) обмотке складываются с напряжением источника питания и поступают на светодиод VD1. Конечно, можно было бы исключить конденсатор и резистор в цепи базы транзистора, но тогда возможен выход из строя VT1 и VD1 при использовании фирменных батарей с низким внутренним сопротивлением. Резистор задает режим работы транзистора, а конденсатор пропускает ВЧ составляющую.

В схеме использовался транзистор КТ315 (как самый дешевый, но можно и любой другой с граничной частотой от 200 МГц), сверхяркий светодиод. Для изготовления трансформатора потребуется кольцо из феррита (ориентировочный размер 10х6х3 и проницаемостью около 1000 HH). Диаметр проволоки около 0,2-0,3 мм. На кольцо наматываются две катушки по 20 витков в каждой.
Если нет кольца, то можно использовать аналогичный по объему и материалу цилиндр. Только придется мотать уже 60-100 витков для каждой из катушек.
Важный момент : мотать катушки нужно в разные стороны.

Фотографии фонарика:
выключатель находится в кнопке «авторучки », а серый металлический цилиндр проводит ток.

По типоразмеру батарейки делаем цилиндр.

Его можно изготовить из бумаги, или использовать отрезок любой жесткой трубки.
Проделываем отверстия по краям цилиндра, обматываем его залуженным проводом, пропускаем в отверстия концы проволоки. Фиксируем оба конца, но оставляем с одного из концов кусок проводника: чтобы можно было подсоединить преобразователь к спирали.
Кольцо из феррита не влезло бы в фонарь, поэтому использовался цилиндр из аналогичного материала.

Цилиндр из катушки индуктивности от старого телевизора.
Первая катушка — около 60 витков.
Потом вторая, мотается в обратную сторону опять 60 или около того. Витки скрепляются клеем.

Собираем преобразователь:

Все располагается внутри нашего корпуса: Распаиваем транзистор, конденсатор резистор, подпаиваем спираль на цилиндре, и катушку. Ток в обмотках катушки должен идти в разные стороны! То есть если вы мотали все обмотки в одну сторону, то поменяйте местами выводы одной из них, иначе генерация не возникнет.

Получилось следующее:

Все вставляем вовнутрь, а в качестве боковых заглушек и контактов используем гайки.
К одной из гаек подпаиваем выводы катушки, а к другой эмиттер VT1. Приклеиваем. маркируем выводы: там, где у нас будет вывод от катушек ставим « — », где вывод от транзистора с катушкой ставим «+» (чтобы было все как в батарейке).

Теперь следует изготовить «ламподиод».

Внимание: на цоколе должен быть минус светодиода.

Сборка:

Как понятно из рисунка, преобразователь представляет собой «заменитель» второй батарейки. Но в отличие от нее, он имеет три точки контакта: с плюсом батарейки, с плюсом светодиода, и общим корпусом (через спираль).

Его местоположение в батарейном отсеке является определенным: он должен контактировать с плюсом светодиода.

Схема светодиодного фонаря на DC/DC конверторе фирмы Analog Device — ADP1110.

Стандартная типовая схема включения ADP1110.
Данная микросхема-конвертер, согласно спецификации фирмы-производителя, выпускается в 8 вариантах:

	Выходное напряжение
	Регулируемое
	Регулируемое

Микросхемы с индексами «N» и «R» отличаются только типом корпуса: R компактнее.
Если вы купили чип с индексом -3.3, можете пропускать следующий абзац и переходить к пункту «Детали».
Если нет — представляю вашему вниманию еще одну схему:

В ней добавлены две детали, позволяющие получить на выходе требуемые 3,3 вольта для питания светодиодов.
Схему можно улучшить, приняв во внимание, что для работы светодиодам нужен источник тока, а не напряжения. Изменения в схеме, что бы она выдавала 60мА (по 20 на каждый диод), а напряжение диоды нам выставят автоматически, те самые 3.3-3.9V.

резистор R1 служит для измерения тока. Преобразователь так устроен, что когда напряжение на выводе FB (Feed Back) превысит 0.22V, он закончит повышать напряжение и ток, значит номинал сопротивления R1 легко рассчитать R1 = 0.22В/Iн, в нашем случаи 3.6Ом. Такая схема помогает стабилизировать ток, и автоматически выбрать необходимое напряжение. К сожалению, на этом сопротивлении будет падать напряжение, что приведет к снижению КПД, однако, практика показала, что оно меньше чем превышение, которое мы выбрали в первом случаи. Я измерял выходное напряжение, и оно составило В. Параметры диодов в таком включении также должны быть по возможности одинаковыми, иначе суммарный ток в 60мА, распределился между ними не поровну, и мы опять, получим разную светимость.

Детали
1. Дроссель подойдет любой от 20 до 100 микрогенри с маленьким (меньше 0.4 Ома) сопротивлением. На схеме указано 47 мкГн. Его можно сделать самому — намотать около 40 витков провода ПЭВ-0.25 на кольце из µ-пермаллоя с проницаемостью порядка 50, типоразмера 10х4х5.
2. Диод Шоттки. 1N5818, 1N5819, 1N4148 или аналогичные. Analog Device НЕ РЕКОМЕНДУЕТ использовать 1N4001
3. Конденсаторы. 47-100 микрофарад на 6-10 вольт. Рекомендуется использовать танталовые.
4. Резисторы. Мощностью 0,125 ватта сопротивлением 2 Ома, возможно 300 ком и 2,2 ком.
5. Светодиоды. L-53PWC — 4 штуки.

Светодиодный фонарь
Преобразователь напряжения для питания светодиода DFL-OSPW5111Р белого свечения с яркостью 30 Кд при токе 80 мА и шириной диаграммы направленности излучения около 12°.

Ток, потребляемый от батареи напряжением 2,41V, — 143мА; при этом через светодиод протекает ток около 70 мА при напряжении на нем 4,17 В. Преобразователь работает на частоте 13 кГц, электрический КПД составляет около 0,85.
Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К10x6x3 из феррита 2000НМ.

Первичную и вторичную обмотки трансформатора наматывают одновременно (т. е. в четыре провода).
Первичная обмотка содержит — 2×41 витка провода ПЭВ-2 0,19,
Вторичная обмотка содержит — 2×44 витка провода ПЭВ-2 0,16.
После намотки выводы обмоток соединяют в соответствии со схемой.

Транзисторы КТ529А структуры p-n-p можно заменить на КТ530А структуры n-p-n, в этом случае необходимо изменить полярность подключения батареи GB1 и светодиода HL1.
Детали размещают на рефлекторе, используя навесной монтаж. Обратите внимание на то, чтобы был исключён контакт деталей с жестяной пластиной фонаря, подводящей «минус» батареи GB1. Транзисторы скрепляют между собой хомутом из тонкой латуни, который обеспечивает необходимый отвод тепла, и затем приклеивают к рефлектору. Светодиод размещают взамен лампы накаливания так, чтобы он выступал на 0,5… 1 мм из гнезда для её установки. Это улучшает отвод тепла от светодиода и упрощает его монтаж.
При первом включении питание от батареи подают через резистор сопротивлением 18…24 Ом чтобы не вывести из строя транзисторы при неправильном подключении выводов трансформатора Т1. Если светодиод не светит, необходимо поменять местами крайние выводы первичной или вторичной обмотки трансформатора. Если и это не приводит к успеху, проверяют исправность всех элементов и правильность монтажа.

Преобразователь напряжения для питания светодиодного фонаря промышленного образца.

Преобразователь напряжения для питания светодиодного фонаря
Схема взята из руководства фирмы Zetex по применению микросхем ZXSC310.
ZXSC310 — микросхема драйвера светодиодов.
FMMT 617 или FMMT 618.
Диод Шоттки — практически любой марки.
Конденсаторы C1 = 2.2 мкФ и C2 = 10 мкФ для поверхностного монтажа, 2.2 мкФ величина, рекомендованная производителем, а С2 можно поставить примерно от 1 до 10 мкФ

Катушка индуктивности 68 микрогенри на 0.4 А

Индуктивность и резистор устанавливают с одной стороны платы (где нет печати), все остальные детали — с другой. Единственную хитрость представляет изготовление резистора на 150 миллиом. Его можно сделать из железной проволоки 0.1 мм, которую можно добыть, расплетая тросик. Проволочку следует отжечь на зажигалке, тщательно протереть мелкой шкуркой, облудить концы и кусочек длиной около 3 см припаять в отверстия на плате. Далее в процессе настройки надо, измеряя ток через диоды, двигать проволочку, одновременно разогревая паяльником место ее припаивания к плате.

Таким образом, получается нечто вроде реостата. Добившись тока в 20 мА, паяльник убирают, а ненужный кусок проволочки обрезают. У автора вышла длина примерно 1 см.

Фонарик на источнике тока

Рис. 3. Фонарик на источнике тока, с автоматическим выравниванием тока в светодиодах, так что светодиоды могут быть c любым разбросом параметров (светодиод VD2 задает ток, который повторяют транзисторы VT2, VT3, таким образом, токи в ветвях будут одинаковыми)
Транзисторы конечно тоже должны быть одинаковыми, но разброс их параметров не так критичен, поэтому можно взять либо дискретные транзисторы, либо если сможете найти, три интегральных транзистора в одном корпусе, у них параметры максимально одинаковые. Проиграйтесь с размещением светодиодов, нужно подобрать пару светодиод-транзистор так что бы выходное напряжение было минимально, это повысит КПД.
Введение транзисторов выровняло яркость, однако они имеют сопротивление и на них падает напряжение, что вынуждает преобразователь повышать уровень выходного до 4В, для снижения падения напряжения на транзисторах можно предложить схему на рис.4, это модифицированное токовое зеркало, вместо опорного напряжения Uбэ=0.7В в схеме на рис.3 можно воспользоваться встроенным в преобразователем источником 0.22В, и поддерживать его в коллекторе VT1 при помощи операционика, также встроенным в преобразователь.

Рис. 4. Фонарик на источнике тока, с автоматическим выравниванием тока в светодиодах, и с улучшенным КПД

Т. к. выход операционника имеет тип «открытый коллектор» его необходимо «подтянуть» к питанию, что делает резистор R2. Сопротивления R3, R4 выполняют функции делителя напряжения в точке V2 на 2, таким образом операционник поддержит в точке V2 напряжение 0.22*2 = 0.44В, что меньше чем в предыдущем случаи на 0.3В. Брать делитель еще меньше, чтобы понизить напряжение в точке V2, нельзя т. к. биполярный транзистор имеет сопротивление Rкэ и при работе на нем будет падать напряжение Uкэ, чтобы транзистор правильно работал V2-V1 должно быть больше Uкэ, для нашего случая 0.22В вполне достаточно. Однако биполярные транзисторы можно заменить полевыми, в которых сопротивление сток исток гораздо меньше, это даст возможность уменьшить делитель, так чтобы, сделать разность V2-V1 совсем незначительной.

Дроссель. Дроссель нужно брать с минимальным сопротивлением, особое внимание следует уделить максимальному допустимому току он должен быть порядка мА.
Номинал не играет такой роли как максимальный ток, поэтому Analog Devices рекомендует, что-то между 33 и 180мкГн. В данном случаи, теоретически, если не обращать внимание на габариты, то чем больше индуктивность, тем лучше по всем показателем. Однако на практике это не совсем так, т. к. мы имеем не идеальную катушку, она имеет активное сопротивление и не линейна, кроме того, ключевой транзистор при низких напряжениях уже не выдаст 1.5А. Поэтому лучше попробовать несколько катушек разного типа, конструкции и разного номинала, что бы выбрать катушку, при которой самый высокий КПД, и самое маленькое минимальное входное напряжение, т. е. катушку, с которой фонарик будет светиться максимально долго.

Конденсаторы. C1 может быть любым. С2 лучше взять танталовым т. к. у него маленькое сопротивление это повышает КПД.

Диод Шотки. Любой на ток до 1А, желательно с минимальным сопротивлением и минимальным падением напряжения.

Транзисторы. Любые с током коллектора до 30 мА, коэф. усиления тока порядка 80 с частотой до 100Мгц, КТ318 подойдет.

Светодиоды. Можно белые NSPW500BS со свечением в 8000мКд от Power Light Systems .

Преобразователь напряжения ADP1110, или его замену ADP1073, для его использования схему на рис.3 нужно будет изменить, взять дроссель 760мкГ, а R1 = 0.212/60мА = 3.5Ом.

Фонарь на ADP3000-ADJ

Параметры:
Питание В, КПД ок. 75%, два режима яркости — полный и половина.
Ток через диоды 27 мА, в режиме половинной яркости — 13 мА.
В схеме для получения высокого КПД желательно использовать чип-компоненты.
Правильно собранная схема в настройке не нуждается.
Недостатком схемы является высокое (1,25V) напряжение на входе FB (вывод 8).
В настоящее время выпускаются DC/DC конвертеры с напряжением FB около 0,3V, в частности, фирмы Maxim, на которых реально достичь КПД выше 85%.

Схема фонаря на Кр1446ПН1.

Резисторы R1 и R2 — датчик тока. Операционный усилитель U2B — усиливает напряжение, снимаемое с датчика тока. Коэффициент усиления = R4 / R3 + 1 и составляет примерно 19. Требуется такой коэффициент усиления, чтобы при токе через резисторы R1 и R2 60 мА напряжение на выходе открыло транзистор Q1. Изменяя эти резисторы, можно устанавливать другие значения тока стабилизации.
В принципе операционный усилитель можно и не ставить. Просто вместо R1 и R2 ставится один резистор 10 Ом, с него сигнал через резистор 1кОм подаётся на базу транзистора и всё. Но. Это приведёт к уменьшению КПД. На резисторе 10 Ом при токе 60 мА напрасно рассеивается 0.6 Вольта — 36 мВт. В случае применения операционного усилителя потери составят:
на резисторе 0.5 Ома при токе 60 мА = 1.8 мВт + потребление самого ОУ 0.02 мА пусть при 4-х Вольтах = 0.08 мВт
= 1.88 мВт — существенно меньше, чем 36 мВт.

О компонентах.

На месте КР1446УД2 может работать любой малопотребляющий ОУ с низким минимальным значением напряжения питания, лучше подошёл бы OP193FS, но он достаточно дорогой. Транзистор в корпусе SOT23. Полярный конденсатор поменьше — типа SS на 10 Вольт. Индуктивность CW68 100мкГн на ток 710 мА. Хотя ток отсечки у преобразователя 1 А, она работает нормально. С ней получился наилучший КПД. Светодиоды я подбирал по наиболее одинаковому падению напряжения при токе 20 мА. Собран фонарик в корпусе для двух батарей AA. Место под батареи я укоротил под размер батарей AAA, а в освободившемся пространстве навесным монтажом собрал эту схему. Хорошо подойдёт корпус для трёх батарей AA. Ставить нужно будет только две, а на месте третьей разместить схему.

КПД получившегося устройства.
Входные U I P Выходные U I P КПД
Вольт мА мВт Вольт мА мВт %
3.03 90 273 3.53 62 219 80
1.78 180 320 3.53 62 219 68
1.28 290 371 3.53 62 219 59

Замена лампочки фонарика “Жучёк” на модуль фирмы Luxeon Lumiled LXHL- NW98.
Получаем ослепительно яркий фонарик, с очень легким жимом (по сравнению с лампочкой).
https://pandia.ru/text/78/440/images/image083_0.jpg»>

Питание: 1 или 2 батарейки 1,5в работоспособность сохраняется до Uвход.=0,9в
Потребление:
*при разомкнутом переключателе S1 = 300mA
*при замкнутом переключателе S1 = 110mA

Светодиодный электронный фонарь
С питанием всего от одной пальчи­ковой батареи типоразмера АА или AAA на микросхеме (КР1446ПН1), которая является полным аналогом микросхемы МАХ756 (МАХ731) и имеет практиче­ски идентичные характеристики.

За основу взят фо­нарь, в котором в качестве источника питания используются две паль­чиковые батарейки (аккумуляторы) типоразмера АА.
Плата преобразователя помещается в фонарь вместо второго эле­мента питания. С одного торца платы припаян контакт из луженой же­сти для питания схемы, а с другого — светодиод. На выводы светодиода надет кружок из той же жести. Диаметр кружка должен быть чуть боль­ше диаметра цоколя отражателя (на 0,2-0,5 мм), в который вставля­ется патрон. Один из выводов диода (минусовой) припаян к кружку, второй (плюсовой) проходит насквозь и изолирован кусочком трубоч­ки из ПВХ или фторопласта. Назначение кружка — двойное. Он обе­спечивает конструкции необходимую жесткость и одновременно слу­жит для замыкания минусового контакта схемы. Из фонаря заранее удаляют лампу с патроном и помещают вместо нее схему со светодиодом. Выводы светодиода перед установкой на плату укорачивают та­ким образом, чтобы обеспечивалась плотная, без люфта, посадка «по месту». Обычно длина выводов (без учета пайки на плату) равна длине выступающей части полностью вкрученного цоколя лампы.
Схема соединения платы и аккумулятора приведена на рис. 9.2.
Далее фонарь собирают и проверяют его работоспособность. Если схема собрана правильно, то никаких настроек не требуется.

В конструкции применены, стандарт­ные установочные элементы: конденсаторы типа К50-35, дроссели ЕС-24 индуктивностью 18-22 мкГн, светодиоды яркостью 5-10 кд диаметром 5 или 10 мм. Разумеется, возможно, применение и других светодиодов с напряжением питания 2,4-5 В. Схема имеет достаточный запас по мощности и позволяет пи­тать даже светодиоды с яркостью до 25 кд!

О некоторых результатах испытаний данной конструкции.
Доработанный таким образом фонарь проработал со «свежей» ба­тарейкой без перерыва, во включенном состоянии, более 20 часов! Для сравнения — тот же фонарь в «стандартной» комплектации (то есть с лампой и двумя «свежими» батарейками из той же партии) рабо­тал всего 4 часа.
И еще один важный момент. Если применять в данной конструкции перезаряжаемые аккумуляторы, то легко следить за состоянием уров­ня их разрядки. Дело в том, что преобразователь на микросхеме КР1446ПН1 стабильно запускается при входном напряжении 0,8-0,9 В. И свечение светодиодов стабильно яркое, пока напряжение на аккуму­ляторе не достигло этого критического порога. Лампа гореть при таком напряжении, конечно, еще будет, но вряд ли можно говорить о ней как о реальном .

Рис. 9.2 Рис 9.3

Печатная плата устройства приведена на рис. 9.3, а расположение элементов — на рис. 9.4.

Включение и выключение фонаря одной кнопкой

Схема собрана на микросхеме D-триггера CD4013 и полевом транзисторе IRF630 в режиме «выкл.» ток потребления схемы — практически 0. Для стабильной работы D-триггера на входе микросхемы подключен фильтр резистор и конденсатор их функция — устранение контактного дребезга. Не используемые выводы микросхемы лучше никуда не подключать. Микросхема работает от 2 до 12 вольт, в качестве силового ключа можно использовать любой мощный полевой транзистор, т. к. сопротивление сток-исток у полевого транзистора ничтожно мало и не нагружает выход микросхемы.

CD4013A в корпусе SO-14, аналог К561ТМ2, 564ТМ2

Простые схемы генератора.
Позволяют питать светодиод с напряжением загорания 2-3V от 1-1,5V. Короткие импульсы повышенного потенциала отпирают p-n переход. КПД конечно понижается, но это устройство позволяет «выжать» из автономного источника питания почти весь его ресурс.
Проволока 0,1 мм — 100-300 витков с отводом от середины, намотанные на тороидальное колечко.

Светодиодный фонарь с регулируемой яркостью и режимом «Маяк»

Питание микросхемы — генератора с регулируемой скважностью (К561ЛЕ5 или 564ЛЕ5) которая управляет электронным ключом, в предлагаемом устройстве осуществляется от повышающего преобразователя напряжения, что позволяет питать фонарь от одного гальванического элемента 1,5.
Преобразователь выполнен на транзисторах VT1, VT2 по схеме трансформаторного автогенератора с положительной обратной связью по току.
Схема генератора с регулируемой скважностью на упомянутой выше микросхеме К561ЛЕ5 немного изменена с целью улучшения линейности регулирования тока.
Минимальный потребляемый ток фонаря с шестью параллельно включенными суперяркими светодиодами L-53MWC фирмы Kingbnght белого свечения равен 2.3 мА Зависимость потребляемого тока от числа светодиодов — прямо пропорциональная.
Режим «Маяк», когда светодиоды с невысокой частотой ярко вспыхивают и затем гаснут, реализуется при установке регулятора яркости на максимум и повторном включении фонаря. Желаемую частоту световых вспышек регулируют подбором конденсатора СЗ.
Работоспособность фонаря сохраняется при понижении напряжения до 1.1v хотя при этом значительно уменьшается яркость
В качестве электронного ключа применен полевой транзистор с изолированным затвором КП501А (КР1014КТ1В). По цепи управления он хорошо согласуется с микросхемой К561ЛЕ5. Транзистор КП501А имеет следующие предельные параметры, напряжение сток-исток — 240 В; напряжение затвор-исток — 20 В. ток стока — 0.18 А; мощность — 0.5 Вт
Допустимо параллельное включение транзисторов желательно из одной партии. Возможная замена — КП504 с любым буквенным индексом. Для полевых транзисторов IRF540 напряжение питания микросхемы DD1. вырабатываемое преобразователем, должно быть повышено до 10 В
В фонаре с шестью параллельно включенными светодиодами L-53MWC потребляемый ток примерно равен 120 мА при подключении параллельно VT3 второго транзистора — 140 мА
Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце 2000НМ К10- 6″4.5. Обмотки намотаны в два провода, причем конец первой обмотки соединяют с началом второй обмотки. Первичная обмотка содержит 2-10 витков, вторичная — 2*20 витков Диаметр провода — 0.37 мм. марка — ПЭВ-2. Дроссель намотан на таком же магнитопроводе без зазора тем же проводом в один слой, число витков — 38. Индуктивность дросселя 860 мкГн

Схема преобразователя для светодиода от 0,4 до 3V — работающая от одной батарейки AAA. Этот фонарь повышает входное напряжение до нужного простым конвертером DC-DC.

Выходное напряжение составляет приблизительно 7 вт (зависит от напряжения установленного диода LEDs).

Building the LED Head Lamp

https://pandia.ru/text/78/440/images/image107_0.jpg» alt=»Transformer»>
Что касается трансформатора в конвертере DC-DC. Вы должны его сделать самостоятельно. Изображение показывает, как собрать трансформатор.

Ещё вариант преобразователей для светодиодов _http://belza. cz/ledlight/ledm. htm

Зарядные устройства» href=»/text/category/zaryadnie_ustrojstva/» rel=»bookmark»>зарядным устройством .

Свинцово кислотные герметичные аккумуляторные батареи самые дешевые в настоящее время. Электролит в них находится в виде геля, поэтому аккумуляторы допускают работу в любом пространственном положении и не производят никаких вредных испарений. Им свойственна большая долговечность, если не допускать глубокого разряда. Теоретически они не боятся перезаряда, однако злоупотреблять этим не следует. Подзарядку аккумуляторных батарей можно производить в любое время, не дожидаясь их полной разрядки.
Свинцово-кислотные герметичные аккумуляторные батареи подходят для применения в переносных фонарях, используемых в домашнем хозяйстве, на дачных участках, на производстве.

Рис.1. Схема электрического фонаря

Электрическая принципиальная схема фонаря с зарядным устройством для 6-вольтового аккумулятора, позволяющая простым способом не допустить глубокий разряд аккумулятора и, таким образом, увеличить его срок службы, показана на рисунке. Он содержит заводской или самодельный трансформаторный блок питания и зарядно-коммутационное устройство, смонтированное в корпусе фонаря.
В авторском варианте в качестве трансформаторного блока применен стандартный блок, предназначенный для питания модемов. Выходное переменное напряжение блока 12 или 15 В, ток нагрузки – 1 А. Встречаются такие блоки и с встроенными выпрямителями. Они также подходят для этой цели.
Переменное напряжение с трансформаторного блока поступает на зарядно-коммутационное устройство, содержащее вилку для подключения зарядного устройства X2, диодный мостик VD1, стабилизатор тока (DA1, R1, HL1), аккумулятор GB, тумблер S1, кнопку экстренного включения S2, лампу накаливания HL2. Каждый раз при включении тумблера S1 напряжение аккумулятора поступает на реле К1, его контакты К1.1 замыкаются, подавая ток в базу транзистора VТ1. Транзистор включается, пропуская ток через лампу HL2. Выключают фонарь переключением тумблера S1 в первоначальное положение, в котором аккумулятор отключен от обмотки реле К1.
Допустимое напряжение разряда аккумулятора выбрано на уровне 4,5 В. Оно определяется напряжением включения реле К1. Изменять допустимое значение напряжения разряда можно с помощью резистора R2. С увеличением номинала резистора допустимое напряжение разряда увеличивается, и наоборот. Если напряжение аккумулятора ниже 4,5 В, то реле не включится, следовательно, не будет подано напряжение на базу транзистора VТ1, включающего лампу HL2. Это значит, что аккумулятор нуждается в зарядке. При напряжении 4,5 В освещенность, создаваемая фонарем, неплохая. В случае экстренной необходимости можно включить фонарь при пониженном напряжении кнопкой S2, при условии предварительного включения тумблера S1.
На вход зарядно-коммутационного устройства можно подавать и постоянное напряжение, не обращая внимание на полярность стыкуемых устройств.
Для перевода фонаря в режим заряда необходимо состыковать розетку Х1 трансформаторного блока с вилкой Х2, расположенной на корпусе фонаря, а затем включить вилку (на рисунке не показана) трансформаторного блока в сеть 220 В.
В приведенном варианте применен аккумулятор емкостью 4,2 Ач. Следовательно, его можно заряжать током 0,42 А. Заряд аккумулятора производится постоянным током. Стабилизатор тока содержит всего три детали: интегральный стабилизатор напряжения DA1 типа КР142ЕН5А либо импортный 7805, светодиод HL1 и резистор R1. Светодиод, кроме работы в стабилизаторе тока, выполняет также функцию индикатора режима заряда аккумулятора.
Настройка электрической схемы фонаря сводится к регулировке тока заряда аккумулятора. Зарядный ток (в амперах) обычно выбирают в десять раз меньше численного значения емкости аккумулятора (в ампер-часах).
Для настройки лучше всего собрать схему стабилизатора тока отдельно. Вместо аккумуляторной нагрузки к точке соединения катода светодиода и резистора R1 подключить амперметр на ток 2…5 А. Подбором резистора R1 установить по амперметру вычисленный ток заряда.
Реле К1 – герконовое РЭС64, паспорт РС4.569.724. Лампа HL2 потребляет ток примерно 1А.
Транзистор КТ829 можно применить с любым буквенным индексом. Эти транзисторы являются составными и имеют высокий коэффициент усиления по току – 750. Это следует учитывать в случае замены.
В авторском варианте микросхема DA1 установлена на стандартном ребристом радиаторе размерами 40х50х30 мм. Резистор R1 состоит из двух последовательно соединенных проволочных резисторов мощностью 12 Вт.

Вне всякого сомнения, светодиоды на сегодняшний день являются самыми экономичными и долговечными источниками света. Появившиеся в последние годы новые приборы этого класса произвели своего рода революцию в сфере освещения и иллюминации. Широкое распространение в быту получили светодиодные лампы, пришедшие вместе с компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) на смену неэкономичным и недолговечным лампам накаливания, а сегодня ими всё чаще заменяют и КЛЛ. К сожалению, несмотря на заверения производителей о долговечности, исчисляемой многими десятками тысяч часов, и светодиодные лампы иногда выходят из строя, причём гораздо раньше срока. И причина нередко не в качестве светодиодов, а, скорее всего, в скупости производителей: чтобы сэкономить на стоимости ламп, светодиоды в них заставляют работать в экстремальных условиях, при значениях тока, близких к предельно допустимым, что оказывает заметное влияние на скорость деградации кристалла и люминофоров, атакже на надёжность лампы. А если учесть, что из-за малых габаритов ламп к вышесказанному добавляются неудовлетворительные условия охлаждения светодиодов, неудивительно, что иногда такие лампы выходят из строя уже через несколько часов работы.

Анализ неисправностей перегоревших ламп показывает, что в 90 % случаев выходит из строя один из светодиодов, при этом драйвер, как правило, остаётся исправным. Ремонт таких ламп несложен, но без принятия мер по уменьшению тока через оставшиеся светодиоды зачастую бесполезен: через некоторое время лампа снова выходит из строя.

Рассмотрим возможность восстановления лампы Elektrostandard мощностью 7 Вт. Её внешний вид и вид на плату драйвера со стороны печатных проводников показаны на рис. 1. Сначала следует любым способом найти сгоревший светодиод и замкнуть его перемычкой. Далее необходимо уменьшить ток через светодиоды. Для контроля тока служит датчик, состоящий из двух соединённых параллельно резисторов SMD (обведены на рис. 1 красным кружком). Чтобы уменьшить ток, их нужно выпаять и на место любого из них впаять новый сопротивлением 2 Ом. После такого ремонта мощность и светоотдача лампы несколько снизятся, но она будет способна работать ещё длительное время. Сказанное полностью применимо и к аналогичным лампам мощностью 15 Вт (рис. 2). На их плате для уменьшения тока через светодиоды необходимо выпаять один из резисторов сопротивлением 5,6 Ом (также обведены красным кружком).

Рис. 1. Лампа Elektrostandard

Рис. 2. Лампа Elektrostandard

Но иногда восстановить лампу невозможно из-за выхода из строя контроллера. В этом случае светодиоды можно питать от другого источника. Ниже рассмотрен вариант подключения платы светодиодов ламп мощностью 5 или 7 Вт к двенадцативольтному источнику (например, автомобильному аккумулятору). В зависимости от номинальной мощности в этих лампах установлены соответственно 12 или 16 светодиодов. Такая лампа может пригодиться для аварийного или автомобильного светильника. Поскольку светодиоды включены на плате последовательно, а изменять схему соединений путём перерезания печатных проводников и установкой проволочных перемычек не хотелось, было решено изготовить преобразователь, повышающий напряжение аккумулятора до уровня, необходимого для свечения светодиодов с нормальной яркостью (в данном случае соответственно до 35 или 48 В).

Схема простого преобразователя, собранного из широко распространённыхи недорогих деталей, представлена на рис. 3. На триггере Шмитта DD1.1 по типовой схеме построен задающий генератор, работающий на частоте около 25 кГц. Включённые параллельно элементы DD1.2-DD1.6 инвертируют сигнал генератора и увеличивают его нагрузочную способность, обеспечивая быструю зарядку и разрядку ёмкости полевого транзистора VT2. Питается микросхема от источника питания лампы через линейный стабилизатор напряжения DA1, включённый по типовой схеме. Датчиком тока является резистор R5.

Рис. 3. Схема простого преобразователя

Работает цепь стабилизации следующим образом. Если ток через светодиоды становится больше требуемого, транзистор VT1 открывается, шунтируя резистором R1 вход триггера Шмитта DD1.1. При этом длительность импульсов управления, подаваемых на затвор полевого транзистора VT2, уменьшается, а длительность пауз между ними, наоборот, увеличивается. В результате ток через светодиоды уменьшается. Стабилизация тока осуществляется в интервале значений входного напряжения от 9 до 15 В, что для аккумуляторного и автомобильного светильника вполне достаточно. Резистор R3 служит для разрядки конденсатора С4 после выключения преобразователя (без него в течение длительного времени после выключения питания наблюдалось бы слабое свечение светодиодов).

Все детали устройства размещены на печатной плате (рис. 4), изготовленной из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Транзистор VT2 в теплоотводе не нуждается, но если при эксплуатации его корпус будет заметно нагреваться, можно в дополнение к используемой в качестве теплоотвода контактной площадке на плате, к которой припаян вывод его стока, снабдить его небольшим П-образным теплоотводом, изготовленным из расплющенного отрезка медного провода сечением 2,5 мм 2 и длиной 20 мм. Припаять его можно как к указанной площадке на плате (рядом с транзистором), так и к самому теплоотводящему фланцу транзистора. Внешний вид готового узла показан на рис. 5. Для светодиодной панели изготовлен дополнительный теплоотвод из листового алюминиевого сплава, его внешний вид также показан на этом рисунке.

Рис. 4. Печатгая плата и детали на ней

Рис. 5. Внешний вид готового узла

Несколько слов о деталях. Кроме указанного на схеме, в качестве VT1 можно применить любой маломощный транзистор структуры n-p-n для поверхностного монтажа. Полевой транзистор (VT2) — любой с током стока не менее 2 А и напряжением сток-исток не ниже 80 В, рассчитанный на управление логическими уровнями. Возможная замена микросхемы 74НСТ14 (DD1) — из серии 74НС14 или 74АС14. Вместо диода RGP10J (VD1) можно применить 1N4007, однако он будет заметно нагреваться и снизится КПД. Практически без нагрева работают диоды серии КД226. Дроссель L1 — промышленного изготовления в цилиндрическом корпусе, тип его неизвестен, а внешний вид показан на рис. 5 (чёрный цилиндр в левом нижнем углу платы).

Если не удастся найти интегральный стабилизатор на 5 В исполнения SMD, в цепь питания микросхемы DD1 можно встроить параметрический стабилизатор на стабилитроне. Разместить его и балластный резистор сопротивлением 1 кОм можно на посадочном месте микросхемы.

Налаживания устройство, собранное из исправных деталей, практически не требует. При первом включении преобразователь желательно питать от лабораторного блока с регулируемым выходным напряжением, постепенно повышая его, начиная с 5 В. Если светодиоды не светят, следует проверить полярность их подключения, исправность деталей.

При использовании вместо указанной на схеме (DD1) заменяющих микросхем, возможно, потребуется подбор конденсатора С1 или дросселя L1 по максимальному КПД. Возможно, потребуется подбор резистора R5 до получения тока через светодиоды, равного 100 мА. Если нужного резистора среди имеющихся в наличии не найдётся, можно установить R5 заведомо несколько большего сопротивления и подобрать включённый параллельно ему дополнительный резистор R5″ (изображён на схеме штриховыми линиями), место для него на плате предусмотрено.

Далее следует проверить интервал значений входного напряжения, при которых осуществляется стабилизация тока через светодиоды. Можно попробовать повысить КПД преобразователя, подбирая индуктивность дросселя L1. При налаживании следует помнить, что обрыв цепи светодиодов может привести к пробою полевого транзистора, поэтому необходимо быть очень внимательным.

В завершение плату преобразователя следует покрыть двумя слоями лака ХВ-784, это защитит его от влаги. При эксплуатации такого светильника следует помнить, что при подключении его к источнику питания следует соблюдать полярность.

Однажды в просторах интернета мне на глаза попалась достаточно простая схема преобразователя для питания светодиодов от одной пальчиковой батарейки. После сборки я огорчился, поскольку схема оказалось нерабочей. За полчаса схема была приведена в рабочее состояние, были изменены номиналы радиодеталей, а лишние детали были убраны и в итоге получился достаточно качественный преобразователь, который способен питать светодиоды с мощностью до 1 Ватт.

Сама схема состоит из 4 деталей и дросселя. К счастью был найден готовый SMD-дроссель (выпаян из платы радиотелефона), но сделать его тоже не проблема. Дроссель можно сделать на кольце от ламп дневного освещения (есть на всех платах энергосберегалок), содержит 15 витков провода 0.15 — 0.2 мм.

К сожалению транзистора прямой проводимости в смд исполнении так и не нашел и был использован мощный биполярный транзистор серии КТ818, но для компактности очень советую использовать смд транзисторы. Второй транзистор обратной проводимости, подойдет буквально любой, например широко известный КТ315.

Базовый резистор на 1 килоом, тоже желательно использовать в смд исполнении.
Конденсатор на 1000 пикофарад не критичен, можно отклонится на 50% в ту или иную сторону (у меня заработало даже с конденсатором 0.1 микрофарад, но светодиод будет светится слабее).

Для демонстрации схема была собрана на макетной плате. Ток потребления составляет 35 — 40 мА, но он резко возрастает если питать светодиоды на 1 ватт, больше схема не позволяет, поскольку максимальный выходной ток в пике составляет 300 мА.

Схема заводится от напряжения 0.7 вольт. Максимальное напряжение питания не более 2.5 вольт, если подать больше схема попросту не заработает. Выходное напряжение 3.8 вольт при указанных параметрах дросселя.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Биполярный транзистор	КТ315А	1			В блокнот
	Биполярный транзистор	КТ818А	1			В блокнот
С1	Конденсатор	1 нФ	1			В блокнот
	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
L1	Катушка индуктивности		1			В блокнот
HL1	Светодиод		1

Что нужно светодиоду — стабилизатор напряжения или тока?

Все светодиоды, независимо от форм-фактора и электрических параметров, питаются током. Правильно заданный ток – это гарантия длительной и стабильной работы осветительного прибора. Так почему же производители светодиодной продукции часто вместо стабилизатора тока устанавливают стабилизатор напряжения? Как это сказывается на работе светодиодных ламп, лент, фонарей и прожекторов? Попробуем разобраться.

Стабилизаторы напряжения

Исходя из названия, эти устройства предназначены для поддержания напряжения в нагрузке на определённом уровне. При этом величина выходного тока зависит от самой нагрузки. Другими словами, сколько потребуется нагрузки, столько она возьмёт, но не более максимально возможного значения. Допустим, стабилизатор напряжения обладает такими выходными параметрами: 12В и 1 А. То есть на выходе всегда будет поддерживаться 12В, а ток потребления может быть в диапазоне от нуля до одного ампера. Существует два вида стабилизаторов напряжения: линейные и импульсные.

Как правило, регулирующим элементом в схеме стабилизатора является биполярный или полевой транзистор. Если этот транзистор работает в активном режиме, то стабилизатор называют линейным. Если же регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, то стабилизатор называют импульсным.

Наиболее распространенными и недорогими являются линейные стабилизаторы напряжения, однако они имеют ряд недостатков:

• низкий КПД;
• при большом токе нагрузки нуждаются в теплоотводе;
• имеют достаточно высокое падение напряжения.

Чтобы не сталкиваться с подобными недостатками, рекомендуется использовать стабилизаторы напряжения импульсного типа. Они бывают трех типов: повышающие, понижающие и универсальные. Импульсные стабилизаторы имеют высокий КПД, не нуждаются в дополнительном отводе тепла при больших токах нагрузки, но имеют более высокую стоимость.

Стабилизаторы тока

Простейший ограничитель тока – резистор. Его часто называют простейшим стабилизатором, что неверно, так как резистор не способен стабилизировать ток при колебании напряжения на своем входе.

Применение резистора в схеме питании светодиода допустимо только при стабилизированном входном напряжении. В противном случае все скачки напряжения передаются в нагрузку и негативно отражаются на работе светодиода. Эффективность резистивных ограничителей тока очень низкая, так как вся потребляемая ими энергия рассеивается в виде тепла.

Немного выше КПД у конструкций на базе готовых интегральных микросхем (ИМ) линейных стабилизаторов. Схемы линейных стабилизаторов на базе ИМ выделяющиеся минимальным набором элементов, отсутствием помех и простой настройкой.

Чтобы избежать перегрева регулирующего элемента, разность входного и выходного напряжения должна быть небольшой, но достаточной (3-5 вольт). Иначе корпус микросхемы вынужден будет рассеивать невостребованную энергию, тем самым снижая КПД.

Драйверы для светодиодов на основе готовых ИМ линейных стабилизаторов выделяются дешевизной и доступностью элементов для сборки своими руками.

Наиболее эффективными принято считать токовые драйверы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Их конструируют на базе специализированных микросхем с цепью обратной связи и элементами защиты, что в несколько раз повышает надёжность всего устройства. Наличие в них импульсного трансформатора ведет к удорожанию схемы, но оправдано высоким КПД и сроком службы. Токовые ШИМ стабилизаторы с питанием от источника 12В несложно сделать своими руками, используя специализированную микросхему. Например, ИМС PT4115 от компании PowTech, которая разработана специально для схем питания светодиодов мощностью от 1 до 10 Вт.

Параметры питания светодиодов

У светодиодов, кроме номинального тока существует ещё один важный параметр – прямое падение напряжения. Роль этого параметра также существенна, именно поэтому его указывают в первом ряду технических параметров полупроводникового прибора.

Чтобы через p-n переход начал протекать ток, к нему нужно приложить какое-то минимальное прямое напряжение Uмин.пр.. Значение минимального прямого напряжения указывается в документации светодиода и отражается на графике вольт — амперных характеристик (ВАХ).

На зеленом участке ВАХ светодиода видно, что только при достижении Uмин.пр. начинает протекать ток Iпр. Дальнейший незначительный рост Uпр приводит к резкому росту Iпр. Именно поэтому даже небольшие перепады напряжения свыше Uмакс..пр. губительны для кристалла светодиода. В момент превышения Uмакс.пр. ток достигает своего пика и происходит разрушение кристалла. Для каждого типа светодиодов существует номинальный ток и соответствующее ему напряжение (паспортные данные), при которых прибор должен отработать заявленный срок службы.

Правильное и неправильное включение

Больше всего ошибок допускают автомобилисты, когда пытаются сэкономить на схеме питания светодиодного освещения. Часто автолюбители включают светодиодные приборы напрямую от аккумулятора, а потом жалуются на разные неполадки: моргание, потерю яркости и полное погасание кристалла. Всё это происходит из-за отсутствия промежуточного преобразователя, который должен компенсировать перепады напряжения в интервале от 10 до 14,5В. Ещё одна ошибка владельцев авто – подключение только через резистор, рассчитанный на среднее показание аккумулятора 12В. Резистор – линейный элемент, а значит, ток через него растет пропорционально напряжению. Подключение через резистор допускается при условии его расчета на 14,5В, но тогда придется смириться с неполной светоотдачей светодиодов при низких и средних значениях напряжения в бортовой сети. Поэтому однозначный верный способ подключения светодиодов в автомобиле – это использование стабилизатора тока, желательно импульсного типа.

В различных осветительных конструкциях на основе светодиодов часто используются именно стабилизаторы напряжения. Почему так происходит? Во-первых, они намного дешевле качественных токовых драйверов. Во-вторых, чтобы из стабилизатора напряжения получился более-менее надёжный драйвер достаточно на выходе установить резистор, грамотно рассчитав его мощность и сопротивление. Такое схемотехническое решение часто применяется в недорогих LED лампах и осветительных конструкциях с применением светодиодных лент.

Большинство светодиодных лент питается стабильным напряжением 12В. Если рассмотреть конструкцию ленты более детально, то можно увидеть, что она разделена на небольшие участки. Как правило, каждый участок состоит из трёх SMD­ светодиодов и одного токозадающего резистора. Падение напряжения на одном светоизлучающем элементе в среднем составляет 2,5-3,5 В, то есть максимум 10,5В в сумме. Остаток гасится резистором, номинал которого изготовитель подбирает под тип используемых светодиодов. Поэтому подключение светодиода через связку из стабилизатора напряжения и резистора можно считать правильной.

Выходная мощность стабилизатора должна быть больше потребляемой мощности нагрузки примерно на 30%.

Если использовать простой блок питания без стабилизации (трансформатор, диодный мост и конденсатор), то при небольшом увеличении напряжения сети, его пропорционально уменьшенная часть будет равномерно распределяться на всех четырёх элементах каждого участка ленты. В итоге вырастет ток, температура кристалла и, как следствие, начнется необратимый процесс деградации светодиодов.

Самым правильным схемотехническим решением является применение стабилизатора тока импульсного типа. На сегодняшний день – это оптимальный вариант, который используют все ведущие производители светодиодных изделий. Токовый драйвер с ШИМ регулятором практически не греется, эффективен и надёжен.

Так чему же отдать предпочтение: дешевому стабилизатору напряжения с резистором или более дорогому токовому драйверу? Правильный ответ скрыт в выражении: «Любая экономия должна быть оправдана». Если Вам нужно подключить десяток слаботочных светодиодов или не более одного метра ленты, то выбор в пользу первого варианта нельзя назвать ошибочным.

Но если ваша цель – запитать фирменные светодиоды с мощностью каждого кристалла более 1 Вт, то без качественного токового драйвера не обойтись. Потому что стоимость таких излучающих диодов намного выше цены на драйвер.

2D материалов в качестве полупроводникового затвора для полевых транзисторов с встроенной защитой от перенапряжения и повышенным током включения

Проблема перенапряжения обычного MG-HEMT

Безопасная работа обычного HEMT с металлическим затвором Шоттки (MG) зависит от критически на защиту ворот от перенапряжения. ¹⁷ На рис. 1а схематически изображена структура устройства обычного MG-HEMT. Двумерный электронный газ (2DEG) образуется на границе гетероперехода AlGaN / GaN из-за спонтанной поляризации AlGaN и GaN. ²⁴ Омические контакты истока и стока к ДЭГ формируются напылением металла и высокотемпературным отжигом. Области активных каналов определяются ионной имплантацией. MG сформирован из 5 нм / 6 нм Ni / Au. Подробный процесс изготовления можно найти в разделе «Методы». На рисунке 1b показаны характеристики изготовленного MG-HEMT. Устройство демонстрирует характеристики режима обеднения (D-режима) из-за вызванной поляризацией высокой плотности несущих 2DEG под затвором. Относительно небольшое соотношение ВКЛ / ВЫКЛ (10 ⁵ ) получается из-за большой утечки обратного затвора.Утечка затвора становится особенно большой при прямом смещении затвора, которое может стать сопоставимым с током стока и даже вызвать отрицательное значение I _D . Эта большая утечка затвора может не только вызвать плохую изоляцию между управлением затвором и потоком тока в канале, но также является причиной нестабильности порогового напряжения ^9,17 и долговременного ухудшения характеристик устройства (дополнительный рисунок 1). ).

Рис. 1

Проблема перенапряжения затвора и утечки AlGaN / GaN HEMT с металлическим затвором Шоттки (MG). a Схематический чертеж обычного AlGaN / GaN HEMT с металлическим затвором Шоттки Ni / Au. b Передаточные кривые и утечки затвора MG-HEMT. c Настройка датчика для определения потенциала канала при различных смещениях затвора. d Измеренный потенциал канала (красные белые кружки) и эффективные напряжения затвора (фиолетовые и оливковые стрелки). Большое прямое напряжение затвора без какой-либо защиты может вызвать серьезную деградацию устройства.

Эффективное напряжение затвора на барьере AlGaN может быть обнаружено путем измерения разности напряжений между MG и каналом 2DEG.Схема измерения схематично изображена на рис. 1c, на котором электрод стока используется в качестве зонда для измерения потенциала канала. Потенциал канала, зависящий от В, , _{, G} , измеряется и отображается на рис. 1d, где эффективные напряжения затвора (то есть разность напряжений между каналом MG и 2DEG) указаны стрелками. Из-за истощения канала 2DEG под затвором обратное напряжение затвора на барьере AlGaN ограничено пороговым напряжением истощения 2DEG, что просто объясняет насыщение утечки обратного затвора на рис.1b. В отличие от ограниченного обратного напряжения затвора, прямое затворное напряжение свободно накладывается на весь барьер AlGaN без какой-либо защиты, как показано фиолетовыми стрелками на рис. 1d. Неограниченное прямое напряжение затвора MG-HEMT является причиной наблюдаемых больших утечек затвора и серьезного ухудшения характеристик устройства.

Изготовление и определение характеристик SG-HEMT

Вместо использования MG установка полупроводникового затвора над барьером AlGaN может обеспечить прямую защиту от перенапряжения и подавление утечки затвора для AlGaN / GaN HEMT.Полупроводниковый затвор должен иметь возможность истощаться из-за большого прямого смещения затвора. Другими словами, полупроводниковый затвор должен иметь тот же тип носителей, что и канал (в нашем случае n-тип), и, что более важно, он должен быть достаточно тонким и умеренно легированным, таким образом, его проводимость может эффективно модулироваться электрическим полем затвора. . Однако эти требования поставили серьезные задачи перед использованием обычных объемных полупроводников в качестве полупроводникового затвора. Трудно нанести или интегрировать тонкую пленку объемных полупроводников на различные диэлектрики затвора (например,g., часто используемые аморфные диэлектрики high-k для MOSFET) с высоким качеством кристалла. Несмотря на то, что n-GaN можно эпитаксиально выращивать на барьере AlGaN, по-прежнему довольно сложно поддерживать небольшую толщину n-GaN и в то же время подавлять поверхностное рассеяние, вызванное поверхностными оборванными связями и высококонцентрированными легирующими добавками ( для компенсации отрицательных зарядов спонтанной поляризации на границе раздела фаз). В отличие от обычных объемных полупроводников, слоистые двумерные полупроводники, такие как MoS ₂ и WSe ₂ из семейства дихалькогенидов переходных металлов (TMD), имеют поверхность, свободную от оборванных связей. ^{19,20,21,25,26} В результате они могут поддерживать высокую подвижность носителей даже с атомарно тонким слоем, который даже превосходит SOI (кремний на изоляторе) и делает их конкурентоспособными в качестве материалы каналов для транзисторов следующего поколения. ^27,28,29 Кроме того, эти слоистые двумерные полупроводники можно выращивать и легко переносить на различные подложки. ^21,23,30,31 Все эти свойства дали слоистым двумерным полупроводникам особое преимущество в качестве подходящего кандидата для реализации полупроводникового затвора.

Экспериментально MoS ₂ широко сообщается с проводимостью n-типа, ^1,2,23,32 , тогда как WSe ₂ чаще сообщается с проводимостью p-типа или амбиполярной проводимостью. ^2,22,33 MoS ₂ n-типа используется здесь как полупроводниковый затвор для AlGaN / GaN HEMT, чтобы продемонстрировать возможность защиты затвора от перенапряжения. На рис. 2а схематично показана структура устройства SG-HEMT. Практически сплошная пленка MoS ₂ выращена методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) на сапфировой подложке, а затем перенесена на образец AlGaN / GaN.Пакет Ti / Au (10 нм / 100 нм) нанесен на MoS ₂ вне активного канала 2DEG в качестве контактных площадок электрода затвора. Изготовлены две контактные площадки, которые позволяют нам измерять то же устройство, что и транзистор MoS ₂ , для контроля проводимости MoS ₂ . Подробные процессы изготовления устройства можно найти в разделе «Методы». Микроскопическое изображение изготовленного SG-HEMT показано на рис. 2б. Из-за относительно низкого контраста подложки однослойный MoS ₂ практически не виден под микроскопом.1 \) показаны на рис. 2г, д соответственно. Синие области на рис. 2d соответствуют металлическим электродам, а форму SG MoS ₂ над барьером AlGaN можно четко определить по ярко выраженной зеленой области на рис. 2e.

Рис. 2

AlGaN / GaN HEMT с однослойным MoS ₂ в качестве полупроводникового затвора (SG). a Схематический чертеж AlGaN / GaN HEMT с однослойным MoS ₂ в качестве полупроводникового затвора. MoS ₂ подвергается воздействию воздуха.1 \) пик. Пунктирные области соответствуют металлическим электродам. f Передаточные кривые SG-HEMT и соответствующие утечки на затворе. g Передаточные кривые того же устройства, измеренные как транзистор MoS ₂ (см. Вставку), с учетом того, что горизонтальная ось V _G перевернута. MoS ₂ истощается, когда затвор SG-HEMT в значительной степени смещен в прямом направлении. h Кривые передачи, подпороговое колебание (SS) и пробой i в закрытом состоянии MG-HEMT и SG-HEMT

Измерены кривые перехода и утечки затвора AlGaN / GaN HEMT с MoS _{2 полупроводниковым затвором MoS 2 и изображены на рис.2f. Устройство почти не показывает гистерезиса, так как он в основном определяется интерфейсом AlGaN / GaN. SG может эффективно переключать ток канала 2DEG. По сравнению с MG-HEMT на рис. 1b наблюдается немного более отрицательное пороговое напряжение, что может быть связано с относительно меньшей работой выхода MoS 2 , чем у Ni. ³⁴ Самое главное, что в отличие от MG-HEMT, SG-HEMT демонстрирует гораздо меньшую утечку затвора. Например, утечка затвора подавляется, по крайней мере, на пять порядков величины при 5 В, что все еще ограничено разрешающей способностью оборудования датчика затвора.Изготовленный SG-HEMT на рис. 2b можно также измерить как транзистор MoS 2 . Канал 2DEG используется в качестве заднего затвора, в то время как две контактные площадки затвора используются вместо этого в качестве электродов истока и стока, как показано на вставке на рис. 2g. Передаточные кривые транзистора MoS 2 показаны на рис. 2g с уже инвертированным напряжением на затворе (т. Е. — В, G ). При измерении SG-HEMT со смещением затвора В, G , с точки зрения транзистора MoS 2 , напряжение затвора 2DEG составляет всего — В G .Таким образом, перевернутое значение V, , G, на рис. 2g может облегчить идентификацию проводимости как MoS 2 , так и 2DEG путем быстрого сравнения между рис. 2f, g. Становится ясно, что пленка MoS 2 может быть исчерпана, когда напряжение MoS 2 -to-2DEG (т.е. V G на рис. 2f) превышает 0 В, когда канал 2DEG (с порогом напряжение −4 В) уже достаточно включено. MoS 2 SG сохраняет или даже имеет лучшую проводимость во время выключения канала 2DEG, при этом уровень Ферми MoS 2 поднимается лишь незначительно из-за повышенной плотности электронов.В результате, даже если он является полупроводником с регулируемой проводимостью для MoS 2 , его емкостная связь с 2DEG не будет ослабляться при выключении устройства. Наблюдается высокое отношение ВКЛ / ВЫКЛ 10 ⁹ из-за небольшой утечки затвора. По той же причине достигается такое низкое значение SS, как 63 мВ / дек (рис. 2h). Более того, SG не накладывает никаких штрафов на напряжение пробоя, как показано на рис. 2i.}

SG-HEMT с различной плотностью носителей SG

Характеристики SG-HEMT на рис.2 измерено с однослойным MoS ₂ на воздухе. Известно, что при воздействии воздуха на концентрацию легирования и подвижность носителей MoS ₂ может значительно влиять адсорбция воздуха. ^32,35,36 Чтобы уменьшить влияние адсорбции и повысить стабильность работы устройства, SG-HEMT дополнительно пассивируется методом ALD 5-нм ZrO ₂ и 15-нм Al ₂ O ₃ , как схематически изображено на рис. 3а. Перед осаждением с высоким коэффициентом k используется 20-минутная дистанционная плазменная обработка N ₂ в качестве метода функционализации поверхности для обеспечения равномерного осаждения диэлектрика. ^37,38 ZrO ₂ имеет большую диэлектрическую проницаемость, что полезно для увеличения подвижности носителей MoS ₂ за счет экранирования примесных зарядов, ^39,40 , в то время как Al ₂ O ₃ используется для улучшить изоляцию и стабилизировать работу устройства. ⁴¹

Рис. 3

Пассивированный диэлектриком SG-HEMT и его зависимость утечки затвора от плотности носителей SG. a Схематическое изображение MoS ₂ SG-HEMT, пассивированного 5-нм ZrO ₂ и 15-нм Al ₂ O ₃ .Слои ZrO ₂ и Al ₂ O ₃ наносятся методом ALD для изоляции MoS ₂ от воздуха. b Передаточные кривые и утечки затвора SG-HEMT после диэлектрической пассивации high-k. Передаточные кривые транзистора MoS ₂ также показаны в виде сплошных черных линий с уже инвертированным напряжением на затворе 2DEG. c Схематическое изображение MoS ₂ SG-HEMT с дополнительным верхним затвором для контроля легирования MoS ₂ и d на соответствующее оптическое изображение. e Передаточные кривые транзистора MoS ₂ с верхним затвором. f Прямые утечки на затворе SG-HEMT с различной плотностью носителей SG, модулированной электрическим полем

Передаточные кривые SG-HEMT после диэлектрической пассивации high-k показаны на рис. 3b. Устройство измеряется с относительно большим размахом затвора (от -10 В до 10 В). Явных изменений порогового напряжения после диэлектрической пассивации не наблюдается. По сравнению с SG-HEMT до пассивации (рис.2е) утечка затвора увеличивается. Это увеличение утечки затвора может быть связано с изменением условий легирования в MoS ₂ SG, как показано на переходных кривых транзистора MoS ₂ на рис. 3b (черные сплошные линии). После диэлектрической пассивации проводимость MoS ₂ SG значительно увеличивается в результате увеличения плотности носителей (на что указывает сдвиг порогового напряжения) и повышенной подвижности электронов (с 0,06 до 6 см ² / В · с).Тем не менее, утечка затвора SG-HEMT все еще намного меньше, чем у MG-HEMT (рис. 1b). Кроме того, на рис. 3b наблюдается насыщение утечки через прямой затвор, что позволяет значительно увеличить угол поворота затвора для SG-HEMT (по крайней мере, от -20 В до 20 В, см. Дополнительный рис. 2) по сравнению с MG-HEMT (6 Не более V при прямом смещении затвора, см. Дополнительный рисунок 1). Ток в закрытом состоянии в основном обусловлен утечкой затвора. По сравнению с SG-HEMT до диэлектрической пассивации минимальная утечка затвора немного увеличивается, возможно, из-за повышенной электронной плотности и пониженной работы выхода MoS ₂ SG после пассивации.Помимо подавленной утечки затвора и большого размаха затвора, импульсные характеристики I — V SG-HEMT предполагают, что SG-HEMT может как минимум реагировать на быстрое переключение за 5 мкс (дополнительный рисунок 3). Из передаточных кривых на рис. 3b минимальные сопротивления канала MoS ₂ SG и 2DEG можно оценить как R _SG = 131 кОм и R _2DEG = 2,5 кОм, тогда задержка Время можно приблизительно оценить как ( R _SG + R _2DEG ) C _AlGaN = 22 нс, в котором C _AlGaN = 0.17 пФ — емкость барьера AlGaN. Становится ясно, что основным узким местом скорости переключения является низкая подвижность носителей (6 см ² / В с) и большое контактное сопротивление (100 Ом · мм) однослойного MoS ₂ , ⁴² и того, и другого. из которых могут быть дополнительно оптимизированы в будущем, например, путем принятия многослойного MoS ₂ ^31,42,43 или других высокоподвижных двумерных полупроводников ^22,44,45 в качестве SG или использования только SG на краю канала (дополнительный рис.3).

Сравнительные эксперименты SG-HEMT до и после пассивации диэлектрика с высоким k показывают, что на утечку затвора могут значительно влиять условия легирования SG-части устройства. Диэлектрическая пассивация влияет на плотность носителей SG в основном за счет изменения поверхностной адсорбции в воздухе, что на практике относительно трудно контролировать. Напротив, плотность носителей в SG удобно и монотонно настраивать внешним электрическим полем. Для дальнейшего изучения влияния легирования SG на утечку затвора и характеристики устройства к SG-HEMT добавлен верхний затвор.Схематическая иллюстрация изготовленного устройства и соответствующее оптическое изображение показаны на рис. 3c, d соответственно. Как демонстрируют передаточные кривые на рис. 3e, плотность носителей SG может эффективно модулироваться верхним затвором. Транзистор MoS ₂ с верхним затвором имеет более отрицательное пороговое напряжение, чем транзистор MoS ₂ с задним затвором 2DEG, что может быть связано с лучшей способностью воздушной изоляции SG-HEMT с верхним затвором с дополнительным верхним затвором. -дверь металлическая.Утечки затвора SG-HEMT измеряются снова, при этом плотность несущей SG регулируется относительной разностью напряжений между верхним затвором и MoS ₂ SG. Утечка затвора сильно зависит от концентрации легирования SG, как показано на рис. 3f. В соответствии с ранее наблюдаемой тенденцией для SG-HEMT до и после пассивации с высоким k, SG с более высокой концентрацией легирования труднее истощить прямым смещением затвора, что приводит к большему напряжению затвора на барьере AlGaN и большему прямому смещению. утечка затвора.

Ограниченное прямое напряжение затвора и повышенный ток включения

Благодаря использованию SG утечка затвора SG-HEMT может быть успешно подавлена ​​без ущерба для SS и напряжения пробоя. Большое прямое смещение затвора не только включает канал 2DEG, но также истощает SG и экспоненциально увеличивает сопротивление затвора, когда V _G приближается к пороговому напряжению истощения SG. Все данные свидетельствуют о том, что полупроводниковая природа MoS ₂ является ключом к улучшенным характеристикам SG-HEMT, а концентрация легирования SG является важным параметром конструкции.Для количественного анализа утечек затвора SG-HEMT на рис. 4a предлагается упрощенная одномерная модель. В этой модели 2DEG и MoS ₂ SG упрощены для электрического контакта с одной и той же стороны. Предполагается, что плотность тока вертикальной утечки затвора зависит только от вертикальной разности потенциалов. Ток утечки на затворе накапливается и течет горизонтально вдоль 2DEG и MoS ₂ , что дополнительно влияет на разность вертикальных напряжений, после учета взаимной модуляции проводимости канала 2DEG и MoS ₂ SG по вертикальной разности потенциалов.Во время расчета модуляция взаимной проводимости определяется передаточными характеристиками на рис. 3b, в то время как параметры вертикальной утечки затвора извлекаются из экспоненциально увеличивающейся утечки затвора MG-HEMT на рис. 1b. Подробный вывод утечки затвора можно найти в дополнительной информации.

Рис. 4

Фиксация напряжения затвора SG-HEMT. a Схема упрощенной одномерной модели для аналитического расчета утечки затвора SG-HEMT.MoS ₂ истощается, когда SG в значительной степени смещен вперед. b Расчетное распределение потенциала по ширине ПГ. c Расчетная утечка затвора SG-HEMT с различными концентрациями легирования SG (которые напрямую определяют значения V _{th_SG} ). d Эквивалентная схема SG-HEMT при прямом смещении затвора и e определение ограниченного эффективного напряжения затвора. f Измеренное эффективное напряжение затвора MoS ₂ SG с настройкой датчика, показанной на вставке.Для V _G < V _{th_MoS2} напряжение затвора приложено ко всему SG. В то время как для В _G > В _{th_MoS2} , эффективное напряжение затвора ограничено до В _{th_MoS2} . В результате SG может обеспечить встроенную защиту от перенапряжения на затворе

На основе упрощенной одномерной модели можно аналитически рассчитать распределение потенциала по ширине затвора, в котором пороговое напряжение истощения MoS ₂ может быть вычислено следующим образом: предполагается, что напряжение на заднем затворе 2DEG составляет 2 В.Результаты расчетов на рис. 4b ясно показывают, что потенциал SG над каналом 2DEG ограничен близко к напряжению истощения SG, при этом дополнительное напряжение затвора в основном поддерживается областью SG на краю канала. Истощение и ограничение напряжения SG также проверяются с помощью двухмерного моделирования (дополнительный рисунок 4). Утечки затвора SG-HEMT с различными концентрациями легирования SG (которые дают разные пороговые напряжения истощения В, _{th_SG} ) также рассчитаны и показаны на рис.4c. SG с более высокой концентрацией легирования ограничивает эффективное напряжение затвора до более высокого значения, что приводит к большей утечке затвора. Утечка затвора демонстрирует поведение насыщения, когда SG истощается, что согласуется с экспериментальными результатами на рис. 3b, f (отмечая, что утечка затвора на рис. 2f все еще ограничивается разрешающей способностью оборудования датчика затвора). Поведение насыщения утечки прямого затвора из-за истощения SG не такое резкое, как поведение насыщения утечки обратного затвора на рис.1b. Наши теоретические расчеты показывают, что это вызвано относительно плохой SS модуляции проводимости SG задним затвором 2DEG в нашем эксперименте (дополнительный рис. 5).

Принцип работы использования SG для ограничения напряжения прямого затвора и подавления утечки затвора может быть дополнительно объяснен эквивалентной схемой, изображенной на рис. 4d. В этой схеме SG заменен транзистором MoS ₂ D-режима, который последовательно подключен к затвору MG-HEMT. Затвор транзистора MoS ₂ подключен к истоку GaN HEMT.Напряжение затвора HEMT прикладывается через полупроводник MoS ₂ , и большой прямой сигнал V _G может истощить MoS ₂ , как в случае с SG-HEMT. Для достаточно большого В _G ток, протекающий через транзистор MoS ₂ D-режима, не очень чувствителен к В, _G , потому что устройство находится в подпороговой области. В результате эффективное напряжение затвора ( В, _{G_eff} ) может быть количественно определено точкой пересечения канального тока MoS ₂ и тока утечки затвора HEMT, как показано на рис.4e. Из-за истощения транзистора MoS ₂ D-режима эффективное напряжение затвора HEMT ограничено. В отличие от защиты от перенапряжения с помощью самонастраиваемого полевого транзистора ¹⁷ предлагаемый SG принципиально не имеет ограничений по пиковому току смещения и, следовательно, по скорости переключения устройства, потому что это метод ограничения напряжения, в то время как метод самозагрузочной защиты только полевой транзистор работает для полевого транзистора с большим током утечки затвора (например, барьер Шоттки с металлическим затвором HEMT).В результате предлагаемая защита от перенапряжения SG может быть реализована во всех типах устройств, таких как MIS-HEMT, независимо от утечки затвора (поскольку проводимость полупроводникового затвора может быть экспоненциально модулирована и, наконец, соответствует утечке затвора) .

Экспериментально ограничение эффективного напряжения SG может быть проверено путем измерения потенциала SG над каналом. Схема измерения изображена на вставке к рис. 4f, а измеренные потенциалы SG показаны в виде синих открытых треугольников.Для смещения затвора ниже, чем пороговое напряжение истощения SG, напряжение затвора эффективно прикладывается ко всей области SG. Однако, как только смещение затвора становится больше, чем пороговое напряжение истощения SG, эффективное напряжение затвора ограничивается. Помимо потенциала SG, потенциал канала 2DEG также показан на рис. 4f (красные белые кружки). С введением SG, как прямые, так и обратные напряжения затвора теперь ограничены пороговыми напряжениями истощения SG и 2DEG, соответственно.По сравнению с эквивалентной схемой полупроводниковый затвор может обеспечить внутреннюю защиту от перенапряжения с гораздо более компактной структурой устройства. Что еще более важно, схема SG по своей сути включает в себя как прямую, так и обратную защиту от перенапряжения из-за истощения как канала SG, так и 2DEG, что отсутствует в эквивалентной схеме (при отрицательном В _G смещает D-режим MoS ₂ Полевой транзистор уязвим для выхода из строя затвора).

Ограниченное эффективное напряжение затвора на рис.4f измеряется с плавающим стоком ( I _D = 0 A). В практических приложениях сток смещается для подачи управляющего тока, который изменяет вертикальное напряжение затвора и влияет на фиксированное напряжение затвора. На рис. 5а показана экспериментальная установка для обнаружения потенциала SG при различных смещениях стока. Напряжения зонда при различных смещениях затвора и стока измерены и показаны на рис. 5b. В соответствии с предыдущим результатом при В _D = 0 В измеренное напряжение SG ограничивается пороговым напряжением истощения MoS ₂ , т.е.е., В _{th_MoS2} = 2,5 В. При увеличении В _D , напряжение зажима зонда также увеличивается, как показано пунктирной линией на рис. 5b. Линия имеет наклон, близкий к 0,5, что можно объяснить распределением потенциала SG на рис. 5в. Из-за значительно настроенной проводимости SG и сильной емкостной связи между MoS ₂ и 2DEG, SG над каналом не является полностью эквипотенциальным для ненулевого смещения стока во время ограничения напряжения затвора.Для В _G > В _{th_MoS2} истощение SG около конца источника ограничивает потенциал SG до В _{th_MoS2} . Однако на конце стока из-за положительного смещения стока V _D истощение SG требует более высокого потенциала SG. Если потоком тока внутри слоя MoS ₂ пренебречь, слой MoS ₂ всегда можно считать истощенным, а напряжение MoS ₂ на стороне стока должно быть В _{th_MoS2} + В _D .Пока потенциал SG все еще меньше, чем V _G , вертикальная разность напряжений между MoS ₂ SG и 2DEG всегда будет ограничиваться пороговым напряжением истощения MoS ₂ SG. Для определенного диапазона смещения стока ( В _D < В _G — В _{th_MoS2} ), плотность несущей SG-HEMT сохраняется постоянной вдоль канала без какой-либо модуляции, то есть в резкий контраст с уменьшением плотности носителей MG-HEMT даже для небольшого позитивного сигнала V _D .Поскольку измеренное напряжение зонда представляет собой средневзвешенное значение потенциала SG, чтобы гарантировать нулевой чистый ток, напряжение ограниченного зонда увеличивается с В _D с наклоном, близким к 0,5.

Рис. 5

Саморегулирующийся потенциал SG со смещением стока и безопасным повышенным током включения. a Вид сверху на установку датчика для измерения эффективного напряжения SG MoS ₂ SG-HEMT с ненулевым смещением стока. b Измеренное напряжение зонда и его зависимость от В _D для пассивированного MoS ₂ SG-HEMT. c Схема распределения потенциала SG по длине затвора в разрезе. Чтобы гарантировать нулевой чистый ток, измеренное напряжение зонда представляет собой среднее значение потенциала SG над каналом. Кривые производительности d MoS ₂ SG-HEMT и e Ni / Au MG-HEMT. Для SG-HEMT не наблюдается потери тока в открытом состоянии. f Благодаря саморегулирующемуся распределению потенциала затвора, гарантируя безопасную работу, SG-HEMT может даже иметь более высокую среднюю плотность несущих, меньшую длину истощения канала и, следовательно, больший ток насыщения в открытом состоянии

Саморегулирующийся SG-потенциал SG-HEMT на рис.5c предполагает, что SG-HEMT может достичь более высокой средней плотности несущих и, следовательно, большего тока включения, чем MG-HEMT, при сохранении того же максимального напряжения затвора. На рис. 5d, e показаны измеренные выходные характеристики MoS ₂ SG-HEMT и Ni / Au MG-HEMT. Ток в открытом состоянии падает при большом смещении стока из-за эффекта самонагрева. MoS ₂ SG имеет пороговое напряжение истощения 2,5 В (т. Е. В _{th_MoS2} = 2,5 В), что ограничивает максимальное вертикальное напряжение затвора до 2.5 В и фиксирует R _ON в линейной области для V _G > V _{th_MoS2} . Однако из-за этого саморегулируемого распределения напряжения SG выходные кривые SG-HEMT показывают более длинную линейную область и повышенный ток включения в области насыщения для В _G > В _{th_MoS2} , что даже превосходит MG-HEMT. Этот безопасный ток включения SG-HEMT можно дополнительно объяснить различными распределениями плотности несущих SG-HEMT и MG-HEMT.Как схематично показано на рис. 5f, выходные кривые SG-HEMT и MG-HEMT не должны иметь больших различий для В _G < В _{th_MoS2} (за исключением возможной разницы пороговых напряжений из-за разницы в работе функция MoS ₂ и Ni / Au). Однако, сохраняя максимальное напряжение затвора и безопасную работу, SG-HEMT может быть смещен при В _G > В _{th_MoS2} , благодаря присущей возможности защиты затвора от перенапряжения.Благодаря саморегулирующемуся потенциалу SG над каналом с увеличенными смещениями стока, SG-HEMT может иметь более высокую среднюю плотность несущих, как схематично показано на вставках на рис. 5f. В результате ток включения увеличивается для SG-HEMT, в то время как безопасная работа устройства гарантируется. Замечено, что для очень больших В _G ( В _G = 6–10 В) ток включения на рис. 5d не увеличивается дальше, что указывает на то, что ток внутри MoS ₂ сам по себе уже нельзя игнорировать, а напряжение на стороне стока MoS ₂ нельзя просто определить с помощью V _{th_MoS2} + V _D (в противном случае V _{D_sat} и I _ON будет постоянно увеличиваться с V _G ).Напряжение MoS ₂ на стороне стока может увеличиваться с В _D , но с меньшей скоростью, чем 1, тогда будет достаточно определенного большого В _D для истощения 2DEG на стороне стока и тока стока. станет насыщенным независимо от большого V _G . В конце концов, по сравнению с MG-HEMT с тем же током насыщения, плотность 2DEG SG-HEMT будет более равномерно распределена благодаря саморегулирующемуся распределению потенциала SG.В результате тепловыделение SG-HEMT будет менее целенаправленным, чем MG-HEMT, что может объяснить уменьшенный эффект самонагревания SG-HEMT на рис. 5d, особенно для больших V _G .

Простые диодные пробники. Основные способы проверки транзистора. Как проверить полевой транзистор мультиметром

Необходимость в таком устройстве возникает каждый раз при ремонте сварочного инвертора — необходимо проверить на исправность мощный IGBT или MOSFET транзистор, либо подобрать пару для исправного транзистора, либо при покупке новых транзисторов убедиться, что это не «перемаркер».Эта тема неоднократно поднималась на многих форумах, но так и не найдя готового (проверенного) устройства или кого-то спроектированного, я решил сделать его сам.
По идее, необходимо иметь какую-то базу данных различных типов транзисторов, с которой можно было бы сравнивать характеристики тестируемого транзистора, и если характеристики укладываются в определенные пределы, то его можно считать исправным. Все это нужно делать по какой-то упрощенной методике и на простом оборудовании.Конечно, вам придется самому собрать необходимую базу данных, но это все решаемо.

Устройство позволяет:
— определить исправность (неисправность) транзистора
— определить напряжение затвора, необходимое для полного открытия транзистора
— определить относительное падение напряжения на выводах КЕ открытого транзистора
— определить относительную емкость затвора транзистора даже в одной партии транзисторов есть разброс и это видно косвенно
— подобрать несколько транзисторов с одинаковыми параметрами

Схема

Принципиальная схема устройства представлена ​​на рисунке.

Он состоит из источника питания постоянного тока 16 В, цифрового милливольтметра 0–1 В, стабилизатора напряжения + 5 В на LM7805 для питания этого милливольтметра и питания «световых часов» — мигающего светодиода LD1, стабилизатора тока на плате. лампа — для питания тестируемого транзистора, включенный стабилизатор тока — для создания регулируемого напряжения (при стабильном токе) на затворе тестируемого транзистора с помощью переменного резистора и двух кнопок для открытия и закрытия транзистора.

Устройство очень простое по конструкции и собирается из общедоступных деталей.У меня был какой-то трансформатор общей мощностью около 40Вт и напряжением на вторичной обмотке 12В. При желании и необходимости устройство можно запитать от аккумулятора 12 В / 0,6 Ач (например). Также был в наличии.

Решил использовать питание от сети 220В, потому что на рынок за покупками с устройством не пойдёшь, а сеть всё равно стабильнее «дохлого» аккумулятора. Но … это дело вкуса.
Далее, изучая и адаптируя вольтметр, я обнаружил его интересную особенность, если на его выводы L0 и HI подается напряжение, превышающее его верхний порог измерения (1В), то дисплей просто гаснет и он ничего не показывает, но он стоит понизить напряжение и все вернется к нормальной индикации (это все при постоянной подаче + 5В между выводами 0В и 5В).Решил воспользоваться этой функцией. Я думаю, что у многих цифровых «индикаторных счетчиков» есть такая же функция. Возьмем, к примеру, любой китайский цифровой тестер, если на него подать 200В в режиме 20В, то ничего страшного не произойдет, будет только «1» и все. Такие платы, как моя, сейчас в продаже.
Возможно.

О работе схемы

Далее я расскажу о четырех интересных моментах о схеме и ее работе:
1. Использование лампы накаливания в коллекторной цепи тестируемого транзистора обусловлено желанием (изначально было такое желание) визуально увидеть, что транзистор ОТКРЫЛСЯ.Кроме того, лампа здесь выполняет еще 2 функции, это защита схемы при подключении «пробитого» транзистора и некоторая стабилизация тока (54-58 мА) протекающего через транзистор при изменении сети с 200 на 240В. . Но «особенность» моего вольтметра позволяла игнорировать первую функцию, при этом даже повышая точность измерений, но об этом позже …
2. Использование стабилизатора тока позволило НЕ сжечь случайно переменный резистор (когда он находится в верхнем положении по схеме) и случайно нажал две кнопки одновременно, или при тестировании «проколотого» транзистора.Величина ограниченного тока в этой цепи даже при коротком замыкании составляет 12 мА.
3. Использование 4 диодов IN4148 в цепи затвора тестируемого транзистора для медленного разряда емкости затвора транзистора, когда напряжение на его затворе уже снято, а транзистор все еще открыт. штат. У них есть какой-то незначительный ток утечки, который разряжает емкость.
4. Применение «мигающего» светодиода в качестве счетчика времени (световых часов) при разряде затвора.
Из всего вышесказанного становится абсолютно понятно, как все работает, но об этом позже более подробно …

Кузов и компоновка

Потом был куплен корпус и все эти комплектующие находятся внутри.

Внешне получилось даже неплохо, разве что на компьютере рисовать шкалы и надписи пока не умею, но … Остатки каких-то разъемов отлично подошли в качестве разъемов для тестируемых транзисторов. В то же время был сделан внешний кабель для транзисторов с «корявыми» ножками, которые не подходили к разъему.

Ну вот как это выглядит в работе:

Как пользоваться устройством

1. Включаем устройство в сеть, при этом начинает мигать светодиод, «индикатор счетчик» — не загорается
2. Подключите проверяемый транзистор (как на фото выше)
3. Установите ручку регулятора напряжения затвора в крайнее левое положение (против часовой стрелки)
4. Нажать кнопку «Открыть» и при этом медленно прибавить регулятор напряжения по часовой стрелке до зажигания «индикатора»
5.Останавливаемся, отпускаем кнопку «Открыть», снимаем показания с регулятора и записываем. Это напряжение открытия.
6. Поверните регулятор по часовой стрелке до упора.
7. Нажмите кнопку «Открыть», загорится «индикатор», снимите с него показания и запишите их. Это напряжение КЭ на открытом транзисторе
8. Возможно, что за время, затраченное на запись, транзистор уже закрылся, затем снова откройте его кнопкой, а затем отпустите кнопку «Открыть» и нажмите кнопку «Закрыть». кнопка «- транзистор должен замкнуться и соответственно погаснуть индикатор».Это проверка целостности транзистора — открывает и закрывает
9. Снова откройте транзистор кнопкой «Открыть» (регулятор напряжения на максимум) и, дождавшись ранее записанных показаний, отпустите кнопку «Открыть». одновременно начиная отсчет количества вспышек (миганий) светодиода
10. После ожидания, пока погаснет «индикатор», запишите количество миганий светодиода. Это относительное время разряда емкости затвора транзистора или время закрытия (до тех пор, пока падение напряжения на закрывающем транзисторе не увеличится более чем на 1 В).Чем больше это время (количество), тем соответственно больше пропускная способность заслонки.

Затем мы проверяем все доступные транзисторы и помещаем все данные в таблицу.
Именно из этой таблицы проведен сравнительный анализ транзисторов — марочные они или «ремаркеры», соответствуют своим характеристикам или нет.

Ниже таблица, которую я получил. Транзисторы, которых не было в наличии, выделены желтым цветом, но я точно использовал их один раз, поэтому оставил их на будущее. Конечно, в нем представлены далеко не все транзисторы, прошедшие через мои руки, просто я что-то не записал, хотя всегда вроде пишет.Конечно, при повторении этого устройства у кого-то может получиться таблица с немного другими цифрами, это возможно, потому что цифры зависят от многих вещей: например, от имеющейся лампочки или трансформатора или аккумулятора.

В таблице показано, чем отличаются транзисторы, например G30N60A4 от GP4068D. Отличаются временем закрытия. Оба транзистора используются в одном устройстве — Telvin, Technique 164, только первый использовался несколько раньше (3, 4 года назад), а второй используется сейчас.А в остальном их ДАТАШИТ-характеристики примерно такие же. И в этой ситуации все хорошо видно — все есть.

Кроме того, если у вас есть пластина всего из 3-4 или 5 типов транзисторов, а остальных просто нет в наличии, то вы, наверное, можете рассчитать коэффициент «согласованности» ваших чисел с моей таблицей и, используя ее, продолжайте свою таблицу, используя числа из моей таблицы. Думаю, что зависимость «постоянства» в этой ситуации будет линейной.На первое время, наверное, хватит, а потом со временем свою таблицу поправишь.
На этот девайс я потратил около 3 дней, на один купил какую-то мелочевку, чехол, а другой на настройку и отладку. Остальное — работа.

Конечно, у прибора есть варианты исполнения: например, использование более дешевого стрелочного милливольтметра (нужно подумать об ограничении хода стрелки вправо при закрытии транзистора), использование другого стабилизатора вместо лампочку, используя аккумулятор, установку дополнительного переключателя для проверки транзисторов с р-каналом и т. д..d. Но принцип в устройстве не изменится.

Еще раз повторяю прибор не измеряет значения (цифры), указанные в DATA , он делает почти то же самое, но в относительном выражении, сравнивая один образец с другим. Прибор не измеряет характеристики в динамическом режиме, он только статический, как у обычного тестера. Но не все транзисторы можно проверить тестером, и не все параметры можно увидеть. На них я обычно ставлю вопросительный знак «?»

Можно собрать и потестить в динамике, поставить маленькую ШИМ на серию К176 или что-то в этом роде.
Но устройство в целом простое и бюджетное, а главное связывает все предметы в одну рамку.

Сергей (s237)

Украина, Киев

Меня зовут Сергей, я живу в Киеве, мне 46 лет. У меня есть своя машина, свой паяльник и даже свое рабочее место на кухне, где я леплю что-то интересное.

Обожаю качественную музыку на качественном оборудовании. У меня есть старинная Техника, на ней все звучит. Женат, имеет взрослых детей.

Бывший военный. Работаю мастером по ремонту и наладкой сварочного оборудования, в том числе инверторного оборудования, стабилизаторов напряжения и многого другого, где присутствует электроника.

Особых достижений не имею, разве что стараюсь быть методичным, последовательным и по возможности доводить начатое до конца. Я пришел к вам не просто взять, а по возможности — дать, обсудить, поговорить. Короче все.

Голос читателей

Статью одобрили 75 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт под своим логином и паролем.

Наверное, нет радиолюбителя, который не исповедовал бы культ радиотехнического лабораторного оборудования. В первую очередь, это насадки к ним и щупы, которые в большинстве своем производим сами. А поскольку измерительных приборов никогда не бывает много и это аксиома, я как-то собрал тестер транзисторов и диодов, небольших размеров и с очень простой схемой. Уже давно есть неплохой мультиметр, а тестер самодельный, во многих случаях продолжаю пользоваться как раньше.

Схема приборов

Конструктор датчика состоит всего из 7 электронных компонентов + печатная плата. Он быстро собирается и начинает работать без каких-либо настроек.

Схема собрана на микросхеме К155ЛН1 , содержащей шесть инверторов. правильное подключение одного из светодиодов (HL1 в структуре N-P-N и HL2 для P-N-P). В случае неисправности:

1. сломано, оба светодиода мигают
2. имеет внутренний обрыв, оба не воспламеняются

Исследуемые диоды подключаются к клеммам «К» и «Е».В зависимости от полярности подключения загорится HL1 или HL2.

Компонентов схемы вообще не много, но лучше сделать печатную плату, припаивать провода к ножкам микросхемы напрямую хлопотно.

И постарайтесь не забыть подложить под микросхему розетку.

Вы можете использовать пробник, не устанавливая его в футляр, но если потратить немного больше времени на его изготовление, у вас будет полноценный мобильный пробник, который вы уже можете взять с собой (например, на радиорынок).Корпус на фото выполнен из пластикового корпуса квадратной батареи, которая уже отработана. Все, что было сделано — это удалить старое содержимое и отрезать лишнее, просверлить отверстия под светодиоды и приклеить полосу с разъемами для подключения тестируемых транзисторов. Не лишним будет «надеть» идентификационные цвета на разъемы. Требуется кнопка включения. Источник питания — батарейный отсек AAA, прикрученный к корпусу несколькими винтами.

Винты крепления небольшие, удобно пропускать положительные контакты и затягивать с обязательным использованием гаек.

Тестер готов. Оптимальным будет использование батареек ААА, четыре штуки по 1,2 вольта дадут лучший вариант при подаваемом напряжении 4,8 вольта.

Всем доброго времени суток, хочу представить вот такой пробник для транзисторов, который точно покажет, исправен он или нет, ведь он надежнее, чем просто прозвонить его выводы омметром вроде диодов. Сама схема показана ниже.

Цепь датчика

Как видим, это обычный блокирующий генератор.Заводится легко — деталей очень мало и при сборке сложно что-либо перепутать. Что нам понадобится для сборки схемы:

1. Хлебная доска
2. LED любой цвет
3. Кнопка мгновенного действия
4. 1К резистор
5. Ферритовое кольцо
6. Лакированная проволока
7. Разъем для микросхем

Детали для сборки

Давайте подумаем, откуда можно выбрать. Такой макет можно сделать самостоятельно или купить, проще всего собрать с навесом или на картоне.Светодиод можно выбрать от зажигалки или от китайской игрушки. Кнопку мгновенного действия можно подобрать как из той же китайской игрушки, так и из любого сгоревшего бытового устройства с аналогичным управлением.

Резистор не обязательно 1K — он может отклоняться от указанного значения в диапазоне от 100R до 10K. Ферритовое кольцо можно получить от энергосберегающей лампы, и не обязательно кольцо — также можно использовать ферритовые трансформаторы W и ферритовые стержни, количество витков от 10 до 50 витков.

Проволока покрыта лаком, допускается брать практически любой диаметр от 0,5 до 0,9 мм, количество витков такое же. Во время испытаний роботы узнают способ подключения обмоток к правильной — если не сработает, то просто поменяйте концы клемм местами. На этом все, а теперь небольшое видео о работе.

Видео работы тестировщика

Эта простая принципиальная схема устройства, которую вы видите на рисунке, предназначена для обнаружения скрытых дефектов и управления обратным неконтролируемым током в биполярных транзисторах и транзисторах BSIT любой структуры с рабочим напряжением 30… 600 В. Также они могут проверить обратный ток тиристоров, симисторов, диодов и определить рабочее напряжение газоразрядных ламп, варисторов, стабилитронов.

Известно, что проверка обычным мультиметром полупроводниковых приборов с максимальным рабочим напряжением более 50 В не дает полного представления о исправности детали, так как проверка проводится при слишком низком напряжении, что не позволяет однозначно судить о том, как эта деталь будет себя вести при работе на своем номинальном, гораздо более высоком напряжении.

Те, кому хоть раз приходилось ремонтировать телевизоры или мониторы, наверняка вспомнят случаи, когда совершенно новый мощный высоковольтный транзистор, установленный в модуле строчной развертки или блоке питания импульсного источника, выходил из строя в первые секунды работы.

Не редкость и «странное» поведение симисторов и тринисторов в фазовых регуляторах мощности, которое проявляется в мерцании ламп накаливания, подключенных в качестве нагрузки. При этом тиристор обычно начинает заметно нагреваться даже при работе с нагрузкой 40 Вт.

Многочисленные пробники для тестирования «низковольтных» биполярных транзисторов не очень подходят для тестирования мощных высоковольтных транзисторов. Например, КТ840А по справочнику имеет максимальное напряжение 400 В, при подключении резистора 100 Ом между его базой и выводами эмиттера обратный ток коллектора при температуре 25 ° С не должен превышать 0,1 … 3 мА. .

Понятно, что 3 мА — худшее значение, при котором транзистор можно считать условно исправным.Некоторые из протестированных транзисторов этого типа вели себя «прилично» только до напряжения Е-К = 200 … 250 В. При дальнейшем увеличении напряжения обратный ток резко возрастал, превышая допустимое значение по справочным данным. При попытке установить его в импульсный блок питания МР3-3, два таких транзистора вышли из строя в первые секунды работы, унеся с собой «в могилу» по тринистору КУ112А.

Среди диодов также встречается много бракованных деталей, которые тоже можно хорошо назвать мультиметром, но на самом деле они могут работать только при низком напряжении.

Следует иметь в виду, что если тестируемый транзистор имеет начальный неконтролируемый ток хуже, чем указанный в справочнике, или явно хуже, чем у других транзисторов того же типа, то у вас может не просто быть немного некачественный копия, но так называемая «потертая» — когда под видом одного транзистора вы получаете в том же корпусе другой, но «непопулярный», с которого старую маркировку смыли и нанесли новую.

Транзисторы и электролитические конденсаторы.

Пробник для проверки транзисторов, диодов — первый вариант

Схема построена на основе симметричного мультивибратора, но отрицательные соединения через конденсаторы С1 и С2 удалены с эмиттеров транзисторов VT1 и VT4. В момент, когда VT2 заблокирован, положительный потенциал через открытый VT1 создает слабое сопротивление на входе и, таким образом, увеличивает качество нагрузки зонда .

С эмиттера VT1 положительный сигнал проходит через С1 на выход.Через открытый транзистор VT2 и диод VD1 конденсатор С1 разряжается, в связи с чем эта схема имеет небольшое сопротивление.

Полярность выходного сигнала с выходов мультивибратора меняется с частотой около 1 кГц и его амплитуда около 4 вольт.

Импульсы с одного выхода мультивибратора поступают на разъем X3 зонда (эмиттер исследуемого транзистора), с другого выхода на разъем X2 зонда (базы) через сопротивление R5, а также на разъем X1 зонда (коллектор). ) через сопротивление R6, светодиоды HL1, HL2 и динамик… Если проверяемый транзистор исправен, загорится один из светодиодов (для n-p-n — HL1, для p-n-p — HL2)

Если на проверяет оба светодиода горят — транзистор сломан, если ни один из них не горит, то, скорее всего, у проверяемого транзистора есть внутренний обрыв. При проверке диодов на исправность подключается к разъемам Х1 и Х3. При исправном диоде загорится один из светодиодов, в зависимости от полярности подключения диода.

Щуп также имеет звуковую индикацию, что очень удобно при дозвоне до электрических цепей ремонтируемого устройства.

Второй вариант пробника для проверки транзисторов

Данная схема по функционалу аналогична предыдущей, но генератор построен не на транзисторах, а на 3-х элементах И-НЕ микросхемы К555ЛА3.
Элемент DD1.4 используется как выходной каскад — инвертор. Частота выходных импульсов зависит от сопротивления R1 и емкости C1. Зонд можно использовать для. Его контакты подключаются к разъемам X1 и X3. Поочередное мигание светодиодов указывает на исправный электролитический конденсатор.Время срабатывания светодиодов зависит от емкости конденсатора.

Исследование электрической стабильности и чувствительности электрических двухслойных полевых транзисторов (полевых транзисторов) для обнаружения miRNA

Abstract

В этом исследовании мы разработали датчик miRNA, использующий двухслойный электрический (EDL) управляемый полевой транзистор ( Биосенсор на основе полевого транзистора) с повышенной чувствительностью и стабильностью. Мы провели углубленное исследование механизмов, которые вызывают колебания электрического сигнала, влияющие на стабильность и чувствительность сенсора miRNA.Во-первых, характеристики поверхности были изучены путем исследования металлических электродов, нанесенных с использованием различных методов осаждения металла. Более низкая шероховатость поверхности золотого электрода улучшила стабильность электрического тока. Было доказано, что температура и вязкость раствора образца влияют на электрическую стабильность, что объясняется уменьшением эффекта броуновского движения. Следовательно, контролируя условия испытаний, такие как температура и вязкость образца, а также характеристики поверхности металлических электродов, мы можем повысить стабильность датчика.Металлические электроды, нанесенные методом распыления и электронно-лучевого испарителя, давали наименьшие флуктуации сигнала. Когда температура окружающей среды была снижена до 3 ° C, датчик имел лучшие шумовые характеристики по сравнению с тестированием при комнатной температуре. Более высокая вязкость образцов приводила к меньшим колебаниям сигнала. Наконец, было продемонстрировано, что функционализация поверхности является решающим фактором повышения стабильности и чувствительности. Датчики MiRNA с более высоким соотношением поверхностей иммобилизованных ДНК-зондов работают с более высокой чувствительностью и стабильностью.Это исследование раскрывает методы улучшения характеристик биосенсоров EDL FET для облегчения практического применения в клинических приложениях.

Ключевые слова: полевые транзисторы (FET), датчики, стабильность, miRNA, двойной электрический слой (EDL)

1. Введение

Полевые транзисторы (FET) использовались для различных приложений измерения, таких как ионные [1,2], газа [3,4] и биомолекул [5,6]. Исследования сообщают о высокой чувствительности и других привлекательных характеристиках, таких как быстрый отклик, низкая стоимость и простота использования и реализации [7,8].Датчики на полевых транзисторах продемонстрировали многообещающий потенциал в обнаружении биомолекул [9,10,11]. Превосходные электрические свойства полевого транзистора могут способствовать преобразованию мельчайших изменений поверхностного потенциала, возникающих в результате действия рецепторов, связанных с поверхностью, и целевых биомолекул в тестируемом водном образце. Однако в прошлом серьезный эффект экранирования заряда в тестовых средах с очень высокими концентрациями соли был ограничением биосенсоров на основе полевых транзисторов [12]. Работа устройства в физиологических жидкостях, таких как сыворотка, кровь или моча, требовала обширной предварительной обработки образца жидкости для тестирования, чтобы снизить ионную силу образца при сохранении целостности целевой биомолекулы.Однако для этого требуются сложные механизмы срабатывания и автоматизация, если биосенсоры на полевых транзисторах будут использоваться не в лабораторных условиях. Некоторые другие исследования были направлены на преодоление ограничений скрининга Дебая в средах с высокой ионной силой [13,14,15]. Они использовали стратегии функционализации поверхности на основе полимеров, чтобы эффективно увеличить длину Дебая и облегчить обнаружение белка, при этом полимер действует как дополнительный емкостной слой. В другом исследовании равновесие Доннана было названо физическим механизмом, лежащим в основе удлинения длины Дебая, что также эффективно связано с преобразованием сигнала на основе емкости [16].Однако добавление большего количества диэлектрических слоев может снизить чувствительность, и чрезвычайно низкие концентрации биомолекул могут быть не обнаружены. Время отклика сенсора было намного больше, вероятно, из-за дополнительных диэлектрических слоев на поверхности сенсора [13,14,15], и это еще не доказано на клинических образцах. В наших предыдущих работах мы разработали полевые модулированные биосенсоры с полевыми транзисторами, обладающие уникальным стробирующим механизмом, в котором тестируемый жидкий образец действует как дополнительный диэлектрик в сенсорной системе [17].Таким образом, мы смогли преодолеть ограничения эффекта скрининга и обнаружить биомолекулы в их природных жидких композициях. С помощью этой методологии мы смогли обнаружить белки, нуклеотиды и клетки в их естественном составе [18,19,20,21]. Мы также реализовали дизайн биосенсора на полевых транзисторах с расширенным затвором, используя тот же механизм стробирования для обнаружения белков в цельной крови [22,23]. Электрическая стабильность и влияние функционализации поверхности на характеристики датчика требуют детального изучения.

В этом исследовании мы исследовали электрическую стабильность полевого биосенсора с полевым транзистором с расширенным затвором и полевой модуляцией в водных тестовых средах. Сообщенная высокая чувствительность биосенсора на полевых транзисторах указывает на то, что небольшие изменения поверхностного потенциала могут привести к изменению электрического сигнала, и в этом случае поддержание электрической стабильности во время работы датчика приобретает первостепенное значение. Мы исследовали различные типы сенсорных поверхностей и их влияние на электрические характеристики биосенсора на полевых транзисторах.Варьируя температуру окружающей среды и вязкость испытуемого образца, мы продемонстрировали, что броуновское движение очень важно для поддержания электрической стабильности. Также было показано, что один из наиболее важных факторов в сенсорах сродства, функционализация поверхности, увеличивает или снижает электрическую стабильность в зависимости от плотности рецепторов, связанных с поверхностью. Таким образом, это исследование направляет нас на разработку оптимизированного сенсора и экспериментального дизайна, который способствует стабильному и высокочувствительному обнаружению биомолекул в физиологических условиях.

2. Экспериментальная часть

2.1. Изготовление сенсорного чипа

Сенсорный чип, содержащий золотые электроды, был изготовлен на полимерной подложке. Мастер-форму из полиметилметакрилата (ПММА) использовали для изготовления формы из полидиметилсилоксана (ПДМС). ПДМС, залитый в форму из ПММА, отверждали в течение 2 часов при 65 ° C, а затем извлекали из мастер-формы. Термоотверждаемую эпоксидную смолу вылили на форму из PDMS и отверждали в два этапа при 125 ° C и 165 ° C в течение 90 минут и 60 минут соответственно.Эта эпоксидная подложка была извлечена из формы PDMS, и УФ-фотолитография была использована для создания рисунка подложки для осаждения металла. Обычно для осаждения металлов использовался электронно-лучевой испаритель (Ti 200 Å / Au 500 Å / Pt 500 Å / Au 2000 Å). Кроме того, распыление на постоянном токе и электрохимическое осаждение золота использовались для изготовления чипов золотых электродов для изучения влияния различных металлических слоев в растворе. После осаждения металла устройство было пассивировано в фоторезисте и с помощью фотолитографии были определены две открытые области на золотом электроде.Один чувствительный электрод был подключен к области затвора полевого МОП-транзистора, а другой — к электроду сравнения, к которому прикладывалось смещение затвора (). Площадь чувствительного электрода составляла 600 мкм × 600 мкм, а зазор между двумя открытыми областями составлял 65 мкм.

( a ) Зона чувствительности и отверстие электрода сравнения расширенного кристалла затвора. ( b ) Схема функционализированной матрицы биосенсоров полевых транзисторов с расширенным затвором, модулированных сильным полем (FET). ( c ) Реальное изображение полевого биосенсора с расширенным затвором и полевым транзистором.( d ) Импульсное смещение, приложенное в качестве напряжения затвора к датчику на полевом транзисторе. ( и ) Типичная кривая зависимости тока стока от времени для биосенсора с полевым транзистором, измеренная в среде 1 × PBS.

2.2. Функционализация поверхности

Функционализацию поверхности проводили путем иммобилизации одноцепочечных молекул зонда ДНК на золотой поверхности сенсорного чипа. Во-первых, тиолированная одноцепочечная ДНК (тиоловая группа на 5-первичной стороне) была восстановлена ​​с использованием трис (2-карбоксиэтил) фосфина (TCEP) (SIGMA-ALORICH, St.Louis, MO, USA) путем смешивания аптамера и восстановителя в молярном соотношении 1: 1000 в буфере трис-этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA) (TE-буфер). После инкубации при комнатной температуре в течение 15 минут раствор аптамера нагревали до 95 ° C, чтобы разорвать водородные связи и получить развернутую структуру оцДНК, а затем мгновенно охлаждали и капали на золотые электроды сенсора для инкубации при комнатной температуре в течение 24 часов. час

2.3. Подготовка тестового образца

Для исследований были подготовлены различные тестовые среды.Тестовый буфер, используемый во всех экспериментах, представлял собой 1 × PBS (с 137 мМ NaCl) (AMRESCO, Inc., Cuyahoga, OH, США). Для регулирования вязкости тестовой среды были приготовлены растворы PBST и глицерина. 10% PBST получали смешиванием твин 20 в 1 × PBS. Растворы глицерина 10%, 50% и 100% готовили в 1 × PBS. Подача образца на датчик осуществлялась с помощью пипетки, капающей 100 мкл тестируемого раствора на чувствительную область. Электрические измерения проводились в статических условиях жидкой капли.

2.4. Полевой транзистор (MOSFET)

В этом исследовании преобразование сигнала осуществлялось с использованием n-канального MOSFET режима обеднения (# LND150; Supertex Inc., Саннивейл, Калифорния, США). Напряжение на затвор подавалось в виде короткого замыкания. длительность (100 мкс) импульсного смещения с амплитудой 1 В, а напряжение стока было постоянным смещением 2 В. Разность абсолютных значений тока стока до и после подачи напряжения затвора использовалась в качестве сигнала датчика и обозначена как прирост.

2,5. Статистические методы анализа стабильности

Чтобы учесть изменения, возникающие из-за дрейфа тока стока полевого МОП-транзистора из-за теплового или внешнего шума, мы вычли усиление полевого МОП-транзистора из абсолютного усиления, полученного на выходе нашего датчика. Эта разница, обозначенная как ΔGAIN, поэтому была использована для анализа всех экспериментальных результатов в этой работе. Мы определили флуктуацию электрического сигнала как стабильность датчика и использовали формулу стандартного отклонения для расчета флуктуации электрического сигнала.Однако ΔGAIN одного датчика может отличаться от другого из-за различий между датчиком. Чтобы статистически проанализировать стандартные отклонения всех датчиков, мы вычислили среднее значение ΔGAIN для каждого датчика, как показано на a, и сдвинули среднее значение ΔGAIN к тому же базовому значению, как показано на b. Наконец, отклики датчиков с поправкой на исходную линию были нанесены на график в зависимости от времени, как показано на c. Затем мы можем сравнивать датчики в различных решениях во времени, как показано на d.

( a ) Расчет среднего усиления отдельных датчиков.( b ) Смещение среднего усиления к тому же базовому значению. ( c ) Базовая линия отклика датчика смещена во времени. ( d ) Сравнение датчиков в разных решениях во времени.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Конструкция и реализация датчика

Структура датчика состояла из полевого транзистора и электрода сравнения, на которые подавалось импульсное напряжение затвора. Принципиальная схема полевого транзистора с расширенным затвором и полевой модуляцией показана на рис.Два золотых электрода, разделенных узким зазором 65 мкм, образовали чувствительную область на съемном сенсорном чипе (а). Несколько пар золотых электродов были изготовлены на едином сенсорном чипе, образуя матрицу сенсоров. В каждой паре электродов один был подключен к источнику напряжения затвора, а другой был подключен к клемме затвора полевого МОП-транзистора, используемого для преобразования сигнала. Электрод, подключенный к затвору смещения, образовывал электрод сравнения, через который смещение прикладывалось к исследуемому раствору. Электрод, подключенный к выводу затвора полевого МОП-транзистора, представлял собой удлиненный металлический затвор, на который приходилось падение напряжения в растворе, тем самым модулируя падение напряжения в диэлектрике полевого МОП-транзистора и, следовательно, ток в канале.

Поместив электрод сравнения и удлиненный металлический затвор на небольшом расстоянии 65 мкм, мы, по существу, создали сильное поле через тестовый раствор при приложении смещения затворного импульса.

Принцип работы нашего биосенсора на полевых транзисторах с расширенным затвором и полевой модуляцией подробно описан в наших предыдущих работах [17,24]. Вкратце, когда мы прикладываем импульсное напряжение затвора к электроду сравнения (когда сток истока полевого МОП-транзистора питается смещением постоянного тока), напряжение падает в тестовой жидкости, помещенной в зазор и через расширенный металлический затвор, достигает диэлектрика полевого транзистора, где он падает и дополнительно модулирует ток стока полевого транзистора.Чувствительная структура имитирует модель типа жидкого конденсатора. Двойные электрические слои на границах раздела твердое тело / жидкость создают емкость раствора, которую можно рассматривать как дополнительный диэлектрик для сенсорной системы полевого транзистора, помимо диэлектрика затвора полевого транзистора. Следовательно, изменения емкости раствора из-за изменений самого тестового раствора или межфазных взаимодействий на границах твердое тело / жидкость приводят к различным падениям потенциала в диэлектрике затвора полевого транзистора и, следовательно, к модуляции тока стока транзистора.Схематическая иллюстрация биосенсора на полевых транзисторах с расширенным затвором изображена на b, а реальное изображение прототипа системы показано на c. Импульсное напряжение, применяемое в качестве напряжения затвора, схематично изображено на d. Длительность импульса составляет 100 мкс с амплитудой 1 В. Типичная характеристика тока стока, полученная для импульсного смещения затвора, изображена на e.

3.2. Влияние характеристик поверхности сенсора

Биосенсоры на полевых транзисторах — это сенсоры сродства к поверхности. Тестируемый водный образец помещается на поверхность сенсора, и физическое / химическое / биологическое взаимодействие компонентов жидкости с поверхностью сенсора преобразуется полевым транзистором в электрические сигналы.Прежде чем исследовать взаимодействие жидких образцов с рецепторами, связанными с поверхностью сенсора, нам необходимо понять влияние различных типов сенсорных поверхностей, которые вносят вклад в различные электрические сигналы. Для проведения этого исследования мы изготовили золотые электроды на сенсорных чипах с помощью различных технологий. Мы использовали гальваническое покрытие, распыление на постоянном токе и электронно-лучевое испарение для нанесения металлического золота на чип датчика. Различия в золотых электродах, нанесенных с использованием этих трех методов, в первую очередь связаны с топографией их поверхности [25,26,27].Поэтому мы измерили шероховатость поверхности осажденных металлов тремя методами с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), результаты которого представлены на рис. Золотые электроды с гальваническим покрытием имели большую шероховатость поверхности (68,251 нм), тогда как электроды из напыленного (19,49 нм) и напыленного золота (20,498 нм) имели сравнительно более гладкие профили поверхности, то есть меньшую шероховатость поверхности.

Измерение шероховатости поверхности с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) для ( a ) металлической стружки с гальваническим покрытием, ( b ) металлической стружки с напылением и ( c ) испаренной металлической стружки.

Для изучения электрических сигналов от этих металлических электродов мы капнули 50 мкл буфера (1 × PBS с 137 мМ NaCl) на сенсорный чип, полностью покрывая золотые электроды, и применили стробирующий импульс (1 В; 100 мкс на -время) каждые 10 мин и регистрировал ток стока полевого транзистора до 60 мин. Каждые 10 минут смещение прикладывали на 1 единицу времени, собирая электрические данные 10 раз. Стандартное отклонение в каждой точке измерения датчика указывает на изменение тока стока полевого МОП-транзистора, вызванное более чем 70 отдельными приложениями смещения.Следовательно, стандартное отклонение является показателем поверхностного потенциала / плотности заряда / емкости раствора, генерируемых приложением импульса. Таким образом, стандартное отклонение является показателем стабильности датчика. Результаты показаны в a – c, отображая электрические характеристики гальванических, напыленных и напыленных металлических электродов соответственно. Анализируя результаты, мы видим, что в тестовой среде 1 × PBS стандартное отклонение было больше для чипа с гальваническим покрытием, чем для чипов с распыленным и испаренным кристаллом.Это означает, что существует сравнительно большая флуктуация поверхностного потенциала гальванического металла и, следовательно, более низкая стабильность. Об этом можно судить по описанной ранее шероховатости поверхности. Электростатическое взаимодействие ионных частиц в водном образце и металлическом слое зависит от топографии поверхности. Большая шероховатость поверхности способствует большим колебаниям потенциала и большей нестабильности. Из b, c мы можем видеть, что распыленные и испаренные металлы дают очень похожие значения стандартного отклонения в испытательной среде 1 × PBS и, кстати, их значения шероховатости поверхности также были сопоставимы и меньше, чем у гальванического золота.Таким образом, стабильность стружки напыленного и испаренного металлического электрода была улучшена. Другой вероятной причиной снижения стабильности гальванических чипов является присутствие легко окисляемых металлов на поверхности металлических электродов. Гальванические золотые электроды в основном содержат медь, которая может окисляться в водной среде и диффундировать в исследуемый образец. Это привело бы к разным плотностям заряда или поверхностным потенциалам в разное время, что мы наблюдаем как большие значения стандартного отклонения в.

( a ) Стабильность чипа с гальваническим золотым электродом в различных условиях (1 × PBS в RT, 1 × PBS при 3 ° C, 10% PBST, 10/50/90/100% глицерин в 1 × PBS). ( b ) Стабильность микросхемы распыленного золотого электрода в различных условиях (1 × PBS в RT, 1 × PBS при 3 ° C, 10% PBST, 10/50/90/100% глицерин в 1 × PBS). ( c ) Стабильность кристалла испаренного золотого электрода в различных условиях (1 × PBS в RT, 1 × PBS при 3 ° C, 10% PBST, 10/50/90/100% глицерин в 1 × PBS). ( d ) Стандартное отклонение в зависимости от тестовой среды.

3.3. Влияние состава раствора

Стабильность характеристик сенсора зависит не только от морфологии поверхности золотых электродов. Это также зависит от состава водного раствора, который содержит различные частицы (как заряженные, так и незаряженные), которые тесно взаимодействуют с поверхностью сенсора и оказывают слабые силы, влияющие на общий поверхностный потенциал. Мы проанализировали эффекты взаимодействия металла с раствором, варьируя температуру и вязкость водных образцов.демонстрирует электрические результаты, полученные при испытании гальванических, распыленных и испаренных металлов в различных средах. a – c показывает сигнал тока стока при различных температурах, т.е. испытательная среда 1 × PBS при комнатной температуре и 3 ° C для гальванических, распыленных и испаренных металлических стружек. Очевидно, что более низкая температура окружающей среды привела к более низким значениям стандартного отклонения, что означает, что стабильность значительно улучшилась при пониженных температурах. Кроме того, чтобы исследовать влияние вязкости, мы приготовили различные растворы: 10% PBST и глицерин в различных концентрациях (10%, 50%, 90% и 100%).Вязкости различных растворов составляли: 1 × PBS <10% PBST <10% глицерин <50% глицерин <100% глицерин. Сравнивая подразделы (a), (b) и (c) из, мы видим, что значения стандартного отклонения уменьшались с увеличением вязкости тестовой среды (измеренной при комнатной температуре), за исключением 100% глицерина. В трех различных металлических электродных стружках 100% глицерин постоянно приводил к более высоким стандартным отклонениям, что означает большую нестабильность. Это связано с тем, что 100% глицерин - это полиол, содержащийся во всех липидах.Испытательная среда не содержит каких-либо ионных частиц, и, когда применяется стробирующий импульс, слабая поляризация глицерина создает большой импеданс или большее падение потенциала в тестовой жидкости по сравнению с 1 × PBS, который содержит ионы, которые легко образуют EDL в твердом теле. / жидкие интерфейсы. Таким образом, межфазный потенциал в случае 100% глицерина зависит от поляризуемости самой молекулы. С другой стороны, композиции 10%, 50% и 90% глицерина были приготовлены в среде 1 × PBS и, следовательно, содержали ионы, которые генерируют EDL, что приводит к гораздо более низкому импедансу и большему падению потенциала в диэлектрике полевого транзистора, а не в тестовой среде .Межфазный потенциал будет в основном определяться плотностью заряда двойных слоев.

d описывает значения стандартного отклонения, полученные для различных типов металлических электродов в различных условиях испытательной среды. суммирует электрические характеристики с точки зрения испытательной среды (температура и вязкость) и топографии поверхности (гальваническое покрытие, распыление и испарение). Таблицу можно использовать для количественного анализа влияния раствора и металлической поверхности на стабильность датчика.

Таблица 1

Значения стандартного отклонения, соответствующие различным тестовым средам для трех различных типов осаждения металлов (гальванический золотой электрод, металлический золотой электрод, напыленный золотой электрод) (N = количество измерений).

1.83
13 мкА 4 мкА
N = 70
33 мкА = 63

Вязкость (м Па.с)	Условия испытаний	Чип для электрода с золотым гальваническим покрытием Станд. Dev.	Испарившийся золотой электродный чип Станд. Dev.	Чип для электрода с напыленным золотом Std.Dev.
1,60	RT 1 × PBS	55 мкА N = 77	10 мкА N = 70	11 мкА N = 84
NA	3	10 мкА N = 84	3 мкА N = 84	4 мкА N = 63
1,79	10% PBST	31 мкА N = 98	9 = 105 N = 98	9 = 105 мкА	4 мкА N = 56
1,83	10% ГЛИЦЕРОЛ	31 мкА N = 77	10 мкА N = 84	9 мкА N = 63
50% ГЛИЦЕРОЛ	21 мкА N = 77	7 мкА N = 84	4,27 мкА N = 70
262,4	90% ГЛИЦЕРОЛ	4,16 мкА N = 70
782	100% ГЛИЦЕРОЛ (2,96)	56 мкА N = 84	28 мкА N = 91

Чтобы понять электрические характеристики, нам нужно было проанализировать физическое явление, которое происходит на границах раздела и в основной части раствора.Частицы в растворе постоянно взаимодействуют друг с другом и с поверхностью сенсора. Подвижность частицы в жидкости может быть изучена с помощью уравнения Стокса, которое описывает подвижность ( µ ) как функцию радиуса частицы ( R ) и вязкости ( η ):

Следовательно, большая вязкость жидкость приведет к снижению подвижности частиц и, следовательно, к меньшему количеству случайных столкновений.

Рассматривая соотношение Эйнштейна, которое связывает коэффициент диффузии ( D ) с подвижностью ( µ ) и температурой ( T ) следующим образом:

Комбинируя уравнения (1) и (2), мы получаем уравнения Стокса– Уравнение Эйнштейна:

Это означает, что при более высоких температурах и более низкой вязкости жидкостей коэффициент диффузии будет больше.Диффузии способствует броуновское движение [28,29], которое представляет собой случайное движение частиц в среде. Броуновское движение вызывает колебания тока стока из-за изменений межфазного потенциала в результате случайного столкновения частиц. И наоборот, когда коэффициент диффузии меньше в условиях более низкой температуры и более высокой вязкости, можно наблюдать меньшие колебания и, следовательно, большую стабильность датчика, как продемонстрировано в наших экспериментах.

3.4. Влияние поверхностной функционализации

Передача сигнала биосенсора FET зависит от взаимодействий рецептора и лиганда, связанного с поверхностью.Изменение поверхностного потенциала и плотности заряда из-за электростатического связывания рецептора и биомолекулы-мишени приводит к модуляции тока стока полевого транзистора. Следовательно, функционализация поверхности является важным аспектом сенсоров сродства к поверхности, таких как биосенсоры на полевых транзисторах. Чтобы исследовать влияние стабильности сенсора и функционализации поверхности, мы охарактеризовали различные сенсорные чипы, изготовленные с электродами из напыленного золота, с различными уровнями функционализации. Золотые электроды очищали с помощью УФ-травления озоном с последующей промывкой в ​​слабокислой и деионизированной воде.Очищенные сенсорные чипы помещали в буфер для тестирования и проводили электрические измерения в течение 60 мин с интервалом 10 мин. Тот же самый процесс электрических измерений был повторен после того, как сенсорные чипы были функционализированы молекулами аптамера (однонитевой ДНК) в конечных концентрациях 1, 5 и 10 мкМ. Результаты показаны в. Когда не было молекул аптамера, связанных с поверхностью (а), стандартное отклонение было самым большим. Чтобы проверить иммобилизацию аптамера, мы использовали меченые флуорофором молекулы аптамера для иммобилизации на поверхности сенсора.Флуоресцентные изображения, отображаемые вместе с электрическими результатами, демонстрируют уровень функционализации поверхности. В функционализированных сенсорных чипах с различной плотностью иммобилизованных аптамеров значения стандартного отклонения были пропорциональны конечной концентрации иммобилизованного аптамера: 1 мкМ> 5 мкМ> 10 мкМ. Соответствующие флуоресцентные изображения показаны рядом с b – d. Можно видеть, что, когда конечная концентрация аптамера, используемого для иммобилизации, составляла 10 мкМ (самая высокая), интенсивность флуоресценции была максимальной, а электрическая стабильность значительно улучшалась.И наоборот, когда использовалась конечная концентрация аптамера 1 мкМ (самая низкая), интенсивность была самой низкой, а электрическая стабильность была плохой, лучше, чем в контрольных условиях. Анализ интенсивности флуоресценции по отношению к конечной концентрации аптамеров, используемых для иммобилизации, показан на e. суммирует значения стандартного отклонения, полученные при различных условиях функционализации поверхности. Из результатов можно сделать вывод, что присутствие молекул аптамера, связанных с поверхностью, улучшает электрическую стабильность сенсора.Это можно объяснить добавлением заряженных или поляризуемых молекул на поверхность сенсора, которые перераспределяют двойной электрический слой на границе раздела золото / тестовая жидкость. На плотность заряда на границе раздела влияют и направляют иммобилизованные аптамеры, которые противодействуют случайным флуктуациям, создаваемым броуновским движением частиц. Ранее было показано, что добавление заряженных молекул к поверхности золота существенно влияет на межфазный потенциал. В наших экспериментах мы продемонстрировали, что контроль топографии поверхности, состава и консистенции раствора, условий окружающей среды и функционализации поверхности может регулировать межфазные взаимодействия, ведущие к улучшению электрической стабильности биосенсоров на полевых транзисторах с расширенными затворами.

Стабильность сигнала сенсора в функционализированных сенсорных чипах с конечными концентрациями аптамера ( a ) 0 мкМ (пустой), ( b ) 1 мкМ, ( c ) 5 мкМ и ( d ) 10 мкМ. Функционализации поверхности, выполненные с конечными концентрациями аптамера 0, 1, 5 и 10 мкМ, изображены на фигурах (, ) — ( d ), соответственно. ( и ) Интенсивность флуоресценции функционализированных сенсорных чипов с конечными концентрациями аптамера 0, 1, 5 и 10 мкМ.

Таблица 2

Концентрации аптамера и соответствующие значения стандартного отклонения, выраженные в мкА. (N = количество измерений).

22 N = 77)

Концентрация аптамера	Стандартное отклонение (мкА)
Пусто (N = 70)	17
1 мкМ (N = 74)	9,3
9,3
9,3
7,1
10 мкМ (N = 104)	3,7

Кроме того, мы провели эксперименты по обнаружению мишеней miRNA в среде 1 × PBS с устройствами, иммобилизованными с различными концентрациями зонда ( аптамер): 1, 5 и 10 мкМ.После иммобилизации зонда 15 мкл целевой miRNA (miR-21) было нанесено на поверхность сенсора, и устройство было нагрето до 43 ° C и выдержано при этой температуре в течение 5 минут для устранения связывания ошибочно спаренной последовательности РНК. После этого устройство охлаждали до комнатной температуры за 3 мин и проводили электрические измерения. Результаты представлены в файле. По мере увеличения концентрации miR-21 возрастает прирост тока. Для устройства с концентрацией зонда 1 мкМ наблюдалось четкое насыщение сигнала сенсора после 100 фМ концентрации miR-21 (а), однако для устройств с концентрацией зонда 5 и 10 мкМ динамический диапазон сенсора был шире. (0–1 пМ [miR-21]) и сигнал сенсора не насыщался при более высоких концентрациях целевой miRNA.Это может быть связано с наличием большего количества сайтов связывания для целевой miRNA на поверхности сенсора, что позволяет сенсору иметь более широкий динамический диапазон, как в случае устройств с концентрацией зонда 5 и 10 мкМ. Повышенная стабильность при более высокой концентрации зонда может быть объяснена размером и покрытием поверхности иммобилизованных аптамеров. Чтобы проверить зависимость сигнала сенсора от покрытия поверхности, мы протестировали 1 × PBS, содержащий miRNA, на голых золотых электродах, то есть нефункционализированных сенсорных электродах.Результаты показаны на б. Можно видеть, что более высокие концентрации miRNA, которые были сброшены на голую золотую поверхность сенсора, вызывали небольшое снижение сигнала сенсора (от концентраций miRNA 100–1000 фМ). Это могло бы объяснить характеристики насыщения, наблюдаемые в условиях концентрации аптамера 1 мкМ: покрытие поверхности было сравнительно меньшим (чем концентрации аптамера 5 и 10 мкМ), и поэтому неспецифическое связывание miRNA при более высоких концентрациях может быть более выраженным, что приводит к снижению сигнала датчика после того, как он достиг насыщения.Кроме того, размер ДНК-зонда намного больше по сравнению с ионами, а при иммобилизации на поверхности сенсора их высота больше, чем у двойного слоя на границе раздела. В отличие от ионов, они менее подвержены флуктуациям, вызванным броуновским движением, и, таким образом, стабилизируют поверхность золота. Большее покрытие поверхности иммобилизованными молекулами зонда улучшило стабильность. Следовательно, оптимизируя концентрацию иммобилизованного зонда на поверхности сенсора, мы можем повысить стабильность и чувствительность биосенсора FET, что очень важно для клинических применений, требующих тестирования образцов человеческой плазмы или цельной крови.Эти результаты показывают, что наш датчик может использоваться для ранней диагностики и скрининга различных типов рака, которые идентифицировали miRNA как биомаркеры.

( a ) 1/5/10 мкМ ДНК-зонд с иммобилизованными сенсорными чипами калибровочная кривая, показывающая прирост тока в зависимости от концентрации miRNA (концентрация miRNA 0/10/25/50/100/250/500/1000 фМ). ( b ) Тестирование miRNA (0/10/25/50/100/250/500/1000 фМ) в 1 × PBS на голой золотой поверхности сенсора (нефункционализированный сенсор).

Вклад авторов

Концептуализация, W.-C.K. и Y.-L.W .; Методология, W.-C.K .; Проверка, W.-C.K., P.-H.C., S.-L.W. и C.-R.W .; Написание оригинала черновика, I.S. и A.K.P .; Написание, рецензирование и редактирование, I.S., A.K.P. и Y.-L.W .; наблюдение, Ю.-Л.В .; администрация проекта, Y.-L.W .; Финансирование Приобретение, Y.-L.W.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

FET в качестве коммутатора | Работа полевого или полевого транзистора в качестве переключателя

В этом руководстве мы узнаем о полевых транзисторах или полевых транзисторах, их работе, областях работы и увидим работу полевого транзистора как переключателя.Мы увидим, как и JFET, и MOSFET могут использоваться в коммутационных приложениях.

Введение

Широкий спектр преимуществ, таких как высокий входной импеданс, простота изготовления, простые операции и т. Д., Позволяет широко использовать полевые транзисторы (FET) в различных приложениях, особенно в системах интегральных схем.

FET — это транзисторы 2-го поколения ^{-го поколения} после BJT. Их можно использовать в качестве усилителей в осциллографах, контрольно-измерительных приборах, электронных вольтметрах и т. Д.а также используется при переключении действий.

Давайте посмотрим подробно на работу полевого транзистора как переключателя. Но перед этим мы должны сначала взглянуть на основы полевого транзистора и его работы.

НАЗАД

Полевой транзистор и его рабочие области

Полевой транзистор — это униполярное устройство, в котором ток переносится только большинством носителей (либо мотыгами, либо электронами). Полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением, что означает, что, управляя напряжением между затвором и истоком, выходной ток изменяется.

Давайте рассмотрим N-канальный JFET для понимания рабочих регионов. Работа или характеристики JFET разделены на три различных области, а именно омическую область, область насыщения и область отсечки. Напряжение, приложенное к стоку, обозначается как V _DS (иногда также обозначается как V _DD ), а напряжение на затворе обозначается как V _GS или V _GG .

N-Channel JFET Режимы работы полевого транзистора

Омическая область (V _DS > 0 и V _DS P )

В этой области слой истощения канала очень мал а полевой транзистор действует как переменный резистор.

В этом случае значение V _DS больше нуля и меньше, чем V _P , поэтому нет отслаивания канала и ток I _D увеличивается. Когда мы увеличиваем напряжение затвора истока V _GS , проводимость канала падает, а сопротивление увеличивается. Следовательно, области истощения будут расширяться, образуя узкий канал. Сопротивление канала обычно изменяется от 100 Ом до 10 кОм и, очевидно, регулирует напряжение. Следовательно, в этой области транзистор действует как резистор, управляемый напряжением.

Область насыщения (V _DS > V _GS — V _P )

Эта область начинается с точки, где V _DS больше, чем V _GS минус V _P , здесь V _P — напряжение отсечки. В этой области ток стока I _D полностью зависит от V _GS , а не от V _DS . Полевой транзистор работает в этой области для усиления сигналов, а также для операций переключения.Из рисунка видно, что когда V _GS равен нулю, протекает максимальный ток I _D . Когда мы меняем V _GS на более отрицательное, то ток стока падает. При определенном значении V _GS ток стока постоянно течет через устройство. Следовательно, эту область также называют областью постоянного тока.

Область отсечки (V _GS P )

Это область, в которой ток стока I _D равен нулю и устройство выключено.В этом случае напряжение затвора истока V _GS меньше напряжения отсечки V _P . Это означает, что значение V _GS более отрицательное, чем значение V _P . Таким образом, канал закрывается и не пропускает ток через устройство.

НАЗАД

Полевой транзистор в качестве переключателя (JFET)

Из приведенного выше обсуждения ясно, что полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя, управляя им в двух областях: области отсечки и насыщения. .Когда V _GS равен нулю, полевой транзистор работает в области насыщения, и через него протекает максимальный ток. Следовательно, это похоже на полностью включенное состояние. Точно так же, когда приложенный VGS более отрицательный, чем напряжение отсечки, полевой транзистор работает в области отсечки и не допускает протекания тока через устройство. Следовательно, полевой транзистор находится в полностью выключенном состоянии. Полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя в различных конфигурациях, некоторые из них приведены ниже.

НАЗАД К НАЧАЛУ

Полевой транзистор, используемый как шунтирующий переключатель

Давайте посмотрим на рисунок ниже, где полевой транзистор подключен параллельно нагрузке и действует как аналоговый переключатель.

• Когда примененное VGS равно нулю, полевой транзистор включается, работая в области насыщения, и его сопротивление очень мало, почти 100 Ом. Выходное напряжение на полевом транзисторе составляет V _OUT = V _in * {R _DS / (R _D + R _{DS (ON)} )}. Поскольку сопротивление R _D очень велико, выходное напряжение приблизительно считается нулевым.
• Когда мы прикладываем отрицательное напряжение, которое равно напряжению отсечки на затворе, полевой транзистор работает в области отсечки и действует как устройство с высоким сопротивлением, а выходное напряжение равно входному напряжению.

Полевой транзистор в качестве схемы параллельного переключателя

НАЗАД В НАЧАЛО

Полевой транзистор, используемый в качестве последовательного переключателя

На рисунке ниже показана другая конфигурация цепи переключателя на полевых транзисторах. В этой схеме полевой транзистор действует как последовательный переключатель. Он действует как замкнутый переключатель, если управляющее напряжение равно нулю, и разомкнутый переключатель, если управляющее напряжение отрицательное. Когда полевой транзистор включен, входной сигнал появляется на выходе, а когда он выключен, выход равен нулю.

FET как последовательная схема переключения

НАЗАД

Пример N-канального JFET в качестве переключателя

На рисунке ниже показано, как N-канальный JFET используется для переключения светодиода.Светодиод подключается между клеммами питания и истока через резистор. Здесь резистор используется для ограничения тока через светодиод. Клемма затвора транзистора подключена к отрицательному питанию.

• Из приведенного выше обсуждения нулевое напряжение на выводе затвора заставляет ток течь через светодиод, потому что полевой транзистор находится в режиме насыщения. Таким образом, светодиод загорается.
• При достаточном отрицательном напряжении на выводе затвора (около 3-4 вольт) JFET переходит в режим отсечки, поэтому светодиод гаснет.

N-канальный JFET для переключения цепи светодиода

НАЗАД

P-канальный JFET в качестве переключателя

До сих пор мы обсуждали N-канальный JFET в качестве переключателя. Другой тип JFET — это P-канальный JFET, и работа этого полевого транзистора также аналогична N-типу, но разница только в положительном напряжении на выводе затвора.

• Когда напряжение затвора истока равно нулю, полевой транзистор работает в области насыщения, поэтому полевой транзистор включается, что, в свою очередь, заставляет ток течь от стока к истоку.
• А положительное напряжение между затвором и истоком приводит к отключению тока через полевой транзистор. Итак, полевой транзистор находится в состоянии разомкнутой цепи.

P-канальный JFET в качестве схемы переключателя

НАЗАД В НАЧАЛО

Пример P-канального JFET в качестве переключателя

Подобно N-канальному светодиоду, управляемому JFET, схема коммутируемого P-канального JFET-индикатора приведена ниже . Разница между двумя схемами заключается в источнике питания на выводе затвора.

• Состояние включения остается одинаковым для обеих цепей: нулевое напряжение на клемме затвора заставляет светодиод светиться, когда полевой транзистор активен.
• Для переключения полевого транзистора в режим отсечки достаточное положительное напряжение (в данном случае от 3 до 4 вольт) останавливает ток через цепь. Поэтому светодиод выключен. Мы также можем использовать полевые транзисторы для включения цепей реле, драйверов двигателей и других электронных схем управления.

P-Channel JFET для переключения светодиода

BACK TO TOP

MOSFET как переключатель

Другой тип FET — это MOSFET, который также является устройством, управляемым напряжением.Уровень V _GS , при котором ток стока увеличится или начнет течь, называется пороговым напряжением V _T . Следовательно, если увеличить V _GS , ток стока тоже возрастет. И если мы увеличим V _GS , оставив постоянным V _DS , то ток стока достигнет уровня насыщения, как в случае JFET. MOSFET

работает в режиме отсечки, когда V _GS ниже порогового уровня. Следовательно, в этом режиме ток стока не протекает.Следовательно, действует как переключатель ОТКРЫТЬ

Для лучшего понимания рассмотрим рисунок ниже, где N-канальный полевой МОП-транзистор расширенного типа переключается на разные напряжения на выводе затвора.

• На приведенном ниже рисунке вывод затвора MOSFET подключен к V _DD , так что напряжение, подаваемое на вывод затвора, является максимальным. Это приводит к тому, что сопротивление канала становится таким маленьким и позволяет протекать максимальному току стока. Это называется режимом насыщения, и в этом режиме полевой МОП-транзистор полностью включен как замкнутый переключатель.Для полевого МОП-транзистора с расширенным каналом P для включения потенциал затвора должен быть более отрицательным по отношению к источнику.
• В области отсечки приложенное V _GS меньше порогового уровня напряжения, поэтому ток стока равен нулю. Следовательно, полевой МОП-транзистор находится в режиме ВЫКЛ, как и разомкнутый переключатель, как показано на рисунке.

МОП-транзистор в качестве переключателя

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Пример МОП-транзистора в качестве переключателя

Давайте рассмотрим схему МОП-транзистора, которая управляет светодиодом, как показано на рисунке.Здесь N-канальный полевой МОП-транзистор используется для переключения светодиода с помощью простого переключателя.

• Когда переключатель в разомкнутом состоянии вызывает нулевое напряжение на затворе относительно земли или источника. Таким образом, полевой МОП-транзистор остается выключенным, и светодиод не светится.
• Когда переключатель нажимается, чтобы закрыть его, соответствующее положительное напряжение (в данном случае 5 В) подается на клемму затвора. Итак, полевой МОП-транзистор включен, и светодиод начнет светиться.
• Здесь это простая резистивная нагрузка, но в случае любых индуктивных нагрузок, таких как двигатели, реле, мы должны использовать свободно вращающиеся диоды через нагрузку, чтобы защитить полевой МОП-транзистор от наведенных напряжений.

MOSFET для переключения светодиода

Большинство схем используют MOSFET в качестве переключателя по сравнению с JFET из-за его преимуществ. Мы также можем использовать схему переключения (для управления нагрузкой на определенной частоте переключения) для полевых транзисторов JFET и полевых МОП-транзисторов для получения сигналов ШИМ в зависимости от требований к нагрузке.

Мы надеемся, что эта общая информация, возможно, позволила вам понять, как мы можем переключать нагрузки с помощью полевых транзисторов с условиями переключения и необходимыми цифрами.Вы также можете написать нам о любых сомнениях или технической помощи по этой концепции в разделе комментариев ниже.

НАЗАД

ПРЕДЫДУЩИЙ — ТРАНЗИСТОР КАК ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

СЛЕДУЮЩИЙ — ТРАНЗИСТОР ДАРЛИНГТОНА

Учебное пособие по дисплеям и оптоэлектронике

Светоизлучающие полимеры

Полупроводниковые полимеры, более широко известные как пластики, являются частью более широкого класса органических материалов, который включает небольшие молекулы и олигомеры.Полупроводниковые полимеры, в частности, вызывают ажиотаж среди ученых из-за их потенциальных коммерческих электронных применений.

Для генерации света с помощью этих материалов тонкая пленка полупроводникового полимера наносится на стеклянную или пластиковую подложку и помещается между двумя электродами. Затем электроны и дырки инжектируются из электродов, и рекомбинация этих носителей заряда приводит к люминесценции. Ширина запрещенной зоны (разница энергий между валентной зоной и зоной проводимости полимера) определяет длину волны излучаемого света. ¹³ Безусловно, наиболее прибыльным применением светоизлучающих полимеров (LEP) в ближайшем будущем считается создание небольших плоских дисплеев. ¹⁴

Нобелевская премия по химии за 2000 год была присуждена трем ученым — Алану Хигеру, Алану МакДиармиду и Хидеки Ширакава — исследователям электропроводящих полимеров. Их работа открыла полимерную электронику, которая, как ожидается, станет электронной технологией ближайшего будущего и, вероятно, найдет широкое применение в самых разных областях, от молекулярной электроники до складных электронных газет. ¹⁵

Электронные полимеры — это пластмассовые материалы с металлическими и полупроводниковыми характеристиками, совокупность свойств, не проявляемых ни одним другим известным материалом. Полимер содержит конъюгированную систему p-электронов вдоль своей основной цепи, что дает ему способность поддерживать положительные и отрицательные носители заряда с высокой подвижностью вдоль цепи. Легирование полупроводниковых сопряженных полимеров, таких как полианилин и полипиррол, приводит к наличию электронных состояний в запрещенной зоне (прыжковые состояния).При достаточных концентрациях примеси запрещенная зона эффективно исчезает, и полимер действует как металл с высокой проводимостью; отсюда термин « синтетический металл». ^16,17

В дополнение к изменению электропроводности, контролируемое добавление известных, обычно небольших (<10%) и нестехиометрических количеств химических соединений может привести к резким изменениям в электрохимических, электронных, электрических, магнитных, оптических и структурных изменениях. свойства и размеры полимера.Полученный в результате материал может быть использован в различных целях в датчиках, исполнительных механизмах на основе MEMS, батареях, для защиты от коррозии, в защите от электромагнитных помех и в электрохромных маскирующих покрытиях. ^18-21

Исследование природных или нетронутых сопряженных полимеров для применения в полупроводниковых устройствах, таких как фотоэлектрические элементы, полевые транзисторы, светодиоды (светодиоды) и диоды Шоттки, стало предметом особого интереса. ²² Кроме того, применение полупроводниковых сопряженных полимеров на основе политиофена, PPV и полифлуорена (PFO), среди прочего, в новых технологиях отображения органической электролюминесценции вызвало огромный интерес.Это связано с огромными преимуществами перед классическими полупроводниками как с точки зрения простоты изготовления, так и с точки зрения разработки новых материалов с различной шириной запрещенной зоны и сродством к электрону. ^23-27 Последняя возможность имеет решающее значение для создания светодиодов, настраиваемых по всему видимому спектру с высокой квантовой эффективностью люминесценции.

Политиофены — один из наиболее изученных классов р-сопряженных систем. И проводящая, и полупроводниковая формы очень стабильны и легко охарактеризованы.Применение этих материалов в светоизлучающих устройствах, полевых транзисторах, а также других молекулярных электронных устройствах было обусловлено улучшенной растворимостью и простотой обработки моно-, ди- и кольцевых политиофенов, одновременно позволяя электронное ширина запрещенной зоны должна быть настроена. ^28-32

Популярность полифлуоренов (ПФО) в качестве НЭП обусловлена ​​их эффективной синей фото- и электролюминесценцией в сочетании с их высокой химической стабильностью. ²⁶ Родственные поли (флуорениленэтинилены) (ПФЭ) обладают интенсивной твердотельной флуоресценцией. Их спектры излучения напоминают ПФО. ²⁷

С момента открытия, что сопряженные полимеры могут использоваться в качестве электролюминесцентных материалов, ²³ PPV стал одним из наиболее изученных серий светоизлучающих полимеров (LEP) благодаря своим превосходным люминесцентным и механическим свойствам. Семейство полимеров PPV служит прототипом класса сопряженных полимеров для применения, а также для фундаментального понимания электронных процессов в сопряженных полимерах.Целью соответствующей модификации химической структуры является достижение электролюминесценции, которая охватывает видимую и ближнюю инфракрасную области.

Поскольку незамещенный PPV нерастворим и трудно поддается обработке, производное p -ксилилена полимеризуется с образованием растворимого полимерного предшественника, который затем отливается в пленку и термически превращается в пленку труднообрабатываемого незамещенного PPV на подходящей подложке. ^33-35

Чтобы улучшить технологичность PPV, гибкие боковые цепи вводятся в основу полимера, что приводит к производным PPV, таким как MEH-PPV и другие.Фенилзамещенный PPV, BEHP-PPV (продукт 54,661-5), более стабилен, чем MEH-PPV, и имеет более высокую растворимость. ³⁶ Недавно полуконъюгированный органический полимер PmPV (продукт 55,516-9 и др.) Был использован для очистки углеродных нанотрубок, а также в светодиодных устройствах. ^37,38

Другие потенциальные приложения PPV включают фотодиоды, фотодетекторы и фотоэлектрические элементы. Фотодиоды большой площади на основе MEH-PPV, легированного C ₆₀ , показали отличную чувствительность к видимому УФ-излучению.Оптические записывающие устройства на основе PPV, электрическое переключение с управлением по току из комбинации PPV и сегнетоэлектрика KH ₂ PO ₄ и полевые транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник на основе DMPPV являются одними из новых приложений PPV.

Светоизлучающие полимерные дисплеи (LEP)

Технология отображения на основе

LEP широко признана в качестве наиболее вероятной замены электронно-лучевой трубки и жидкокристаллических дисплеев (LCD). Он предлагает несколько существенных преимуществ по сравнению с обеими технологиями, такими как повышенная четкость, неограниченные углы обзора, более высокая частота обновления изображения, более тонкий профиль, меньший вес и доступность всех цветов видимого спектра.Кроме того, LEP могут достигать высокой яркости при низких напряжениях возбуждения и плотности тока, что приводит к более низкому энергопотреблению по сравнению с другими технологиями. Более того, полимерные материалы могут быть переработаны в тонкие пленки большой площади с использованием простой и недорогой технологии, в отличие от неорганических светодиодов, для которых требуется высоколегированный полупроводниковый слой для омического контакта. ⁹ Следовательно, возможны пиксельные дисплеи большой площади, сделанные из одного листа. Текущие исследования сосредоточены на использовании полимерных материалов для изготовления электролюминесцентных дисплеев с использованием как пассивных, так и активных матричных технологий. ¹⁰ На рисунке 2 показано поперечное сечение трех адресуемых субпикселей (красного, зеленого и синего) на полимерном светоизлучающем дисплее. Каждый пиксель дисплея состоит из стеклянной подложки, анода из оксида индия и олова (ITO), дырочного проводящего слоя, светоизлучающего полимерного слоя и верхнего катода (металла с низкой работой выхода). В отображении с активной матрицей массив разделен на серию строк и строк столбцов, при этом каждый пиксель формируется на пересечении строки и строки столбца, как и в отображении с пассивной матрицей.Каждый пиксель теперь состоит из органического светодиода (OLED), соединенного последовательно с тонкопленочным транзистором (TFT). TFT — это переключатель, который может контролировать количество тока, протекающего через OLED. В OLED-дисплее с активной матрицей (AMOLED) информация отправляется на транзистор в каждом пикселе, определяя яркость пикселя. Затем TFT сохраняет эту информацию и непрерывно контролирует ток, протекающий через OLED. Таким образом, OLED работает непрерывно, избегая необходимости в очень высоких токах, необходимых для дисплея с пассивной матрицей.Напротив, чтобы осветить любую конкретную линию пикселей пассивно-матричного дисплея, электрические сигналы применяются к строке строки и строке столбца. Чем больше тока проходит через каждый пиксельный диод, тем ярче пиксель. ¹¹ Технология, используемая в экранах с активной матрицей, как правило, более дорогая, но более высокого качества, чем дисплей с пассивной матрицей.

Что такое полевой транзистор? — Блог Fusion 360

Полевой транзистор (FET) — это трехконтактный активный полупроводниковый прибор, в котором выходной ток регулируется электрическим полем, создаваемым входным напряжением.Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, потому что, в отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы имеют либо электроны, либо дырки, работающие в качестве носителей заряда. Полевой транзистор использует напряжение, приложенное к его входной клемме (называемой затвором), для управления током, протекающим от истока к стоку, что делает полевой транзистор устройством, управляемым напряжением.

Полевые транзисторы

широко используются в интегральных схемах (ИС) из-за их компактных размеров и значительно более низкого энергопотребления. Кроме того, полевые транзисторы также используются в устройствах переключения высокой мощности, в качестве резисторов с переменным напряжением (VVR) в операционных усилителях (операционных усилителях), регуляторах тембра и т. Д., для работы микшера на FM- и ТВ-приемниках и в логических схемах.

Психологический обзор

Полевой транзистор имеет четыре терминала с именами Источник, Сток, Затвор и Корпус.

1. Источник : Источник — это терминал, через который большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор.
2. Сток : Сток — это терминал, через который большинство носителей заряда выходят из полевого транзистора.
3. Затвор : Вывод затвора формируется путем диффузии полупроводника N-типа с полупроводником P-типа.Это создает сильно легированную область PN-перехода, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.
4. Корпус : Это основа, на которой построен полевой транзистор. В дискретных приложениях он внутренне привязан к выводу источника, что позволяет полностью игнорировать его эффекты. Однако в интегральных схемах этот вывод обычно подключается к наиболее отрицательному источнику питания в цепи NMOS (наиболее положительному в схеме PMOS), поскольку он используется многими транзисторами. Тщательные соединения и конструкция имеют решающее значение для поддержания производительности полевого транзистора, когда задействовано соединение Body.

Канал : Это область, в которой большинство несущих проходят от терминала истока к терминалу стока.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы

подразделяются на полевые транзисторы (JFET) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

JFET (переходно-полевой транзистор)

Junction Field Effect Transistor (JFET) — это самый ранний тип полевых транзисторов.Ток течет по активному каналу между истоками к клеммам стока. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком полевого транзистора. При приложении напряжения обратного смещения к выводу затвора канал напрягается, поэтому электрический ток полностью отключается. Вот почему полевые транзисторы JFET называют «нормально включенными» устройствами. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

N-канальный JFET

В N-канальном JFET канал легирован донорными примесями, что делает его полупроводником N-типа.Следовательно, ток через канал отрицателен в виде электронов. Отсюда и название N-канальный JFET. Две подложки P-типа, легированные с противоположных сторон от его средней части. Таким образом, два PN-перехода образованы этими сильно легированными областями P-типа и каналом N-типа между ними. Вывод затвора (G) подключается внутри к обоим клеммам P-типа, а выводы стока (D) и истока (S) подключаются к любому концу канала N-типа.

Как это работает?

Когда на вывод затвора не подается напряжение, канал становится широко открытым путем для прохождения электронов.Следовательно, максимальный ток протекает от истока к выводу стока. Величина протекающего тока определяется разностью потенциалов между выводами истока и стока и внутренним сопротивлением канала.

Но происходит обратное, когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение по сравнению с выводом истока, что приводит к обратному смещению P-N перехода. В канале создается область истощения, которая сужает канал, увеличивая сопротивление канала между истоком и стоком, и ток становится меньше.

P-канальный JFET

Аналогичным образом, в JFET с P-каналом канал легирован акцепторными примесями, что делает его полупроводником P-типа. Следовательно, поток тока через канал является положительным в виде отверстий. Отсюда и название P-channel JFET. Противоположная сторона канала сильно легирована подложками N-типа. Как и в N-канальном JFET, вывод затвора формируется путем соединения областей N-типа с обеих сторон. Клеммы истока и стока взяты с двух других сторон канала.

Принцип работы также аналогичен N-канальному JFET. Единственное отличие состоит в том, что для его выключения необходимо обеспечить положительное напряжение затвора к источнику. Однако N-канальный JFET имеет более высокую проводимость по току из-за более низкого сопротивления канала, чем их эквивалентные типы P-каналов, поскольку электроны имеют более высокую подвижность через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным, чем их аналоги с P-каналом.

Характеристики

Здесь JFET смещен через источник постоянного тока, который будет управлять VGS JFET.Мы можем контролировать приложенное напряжение на клеммах стока и источника, изменяя VGS. Оттуда мы можем построить кривую ВАХ полевого транзистора.

Выходные характеристики JFET представлены между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS) при постоянном напряжении затвор-исток (VGS), как показано на следующем рисунке.

• Область отсечки — это область, в которой JFET выключен, что означает отсутствие тока стока, ID течет от стока к истоку.
• Омическая область — В этой области JFET начинает показывать некоторое сопротивление току стока, ID, который начинает течь от стока к истоку. Ток, протекающий через полевой транзистор, линейно пропорционален приложенному напряжению.
• Область насыщения — Когда напряжение сток-исток достигает такого значения, что ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только с напряжением затвор-исток, устройство считается находящимся в состоянии насыщения. область.
• Область пробоя — Когда напряжение стока в исток, VDS превышает максимальное пороговое значение, что приводит к выходу из строя области истощения, JFET теряет способность сопротивляться току, и ток стока увеличивается бесконечно.

MOSFET (Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник)

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы, также известные как МОП-транзисторы, имеют большее значение и являются наиболее полезным типом среди всех транзисторов.МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку. MOSFET также является транзистором, управляемым напряжением, но основное различие между JFET и MOSFET заключается в том, что он имеет металлооксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком очень тонким слоем. из изоляционного материала, обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Трек создан с использованием двух сильно легированных зон N-типа, рассеянных в слаболегированной подложке P-типа.Эти две области N-типа известны как сток и исток, а область P-типа называется подложкой. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким по шкале мегаомов (МОм), тем самым делая его почти бесконечным. Таким образом, ток не может течь в ворота.

Как это работает?

Основной принцип устройства MOSFET заключается в том, чтобы иметь возможность управлять напряжением и током между выводами истока и стока, используя напряжение, приложенное к выводу затвора.Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован из p-типа в n-тип путем приложения либо положительного, либо отрицательного напряжения затвора, соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дырки, находящиеся под оксидным слоем, толкаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал.Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется отверстие.

Типы полевых МОП-транзисторов

Широко используются два полевых МОП-транзистора:

1.Истощение MOSFET:

МОП-транзистор в режиме истощения аналогичен разомкнутому переключателю. В этом режиме для выключения устройства применяется напряжение затвора в источник (VGS). Когда напряжение затвора отрицательное, в канале накапливаются положительные заряды. Это вызывает область истощения в канале и предотвращает протекание тока. Таким образом, поскольку на протекание тока влияет формирование обедненной области, он называется истощенным MOSFET.

2.Расширение MOSFET:

МОП-транзистор расширенного режима аналогичен замкнутому переключателю. В этом режиме для включения устройства применяется напряжение затвор-исток (VGS). Когда отрицательное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора, отверстия, несущие положительный заряд, накапливаются рядом с оксидным слоем, образуя канал от истока к выводу стока. По мере того, как напряжение становится более отрицательным, ширина канала увеличивается и ток увеличивается; поэтому он называется улучшенным MOSFET.

Кроме того, типы истощения и расширения подразделяются на типы N-канал и P-канал .

1.N-канальный полевой МОП-транзистор :

N-канальный полевой МОП-транзистор имеет канал N-типа между клеммами истока и слива. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником N-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом P-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

2.P-канальный полевой МОП-транзистор:

Аналогично, P-канальный MOSFET имеет канал P-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником P-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом N-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за дыр. А протекание тока регулируется напряжением на затворе.

Характеристики

В целом, полевой МОП-транзистор работает в основном в трех регионах, а именно:

1. Область отсечки:
   В области отсечки полевой МОП-транзистор остается выключенным, поскольку в этой области нет тока.Здесь MOSFET ведет себя как разомкнутый переключатель и, таким образом, используется, когда они должны функционировать как электронные переключатели.
2. Омическая область:
   В омической или линейной области ток от стока к истоку увеличивается с увеличением напряжения между стоком и истоком. Когда в этой области работают полевые МОП-транзисторы, их можно использовать в качестве усилителей.
3. Область насыщения:
   В этой области значение тока от стока к истоку остается постоянным без учета увеличения напряжения между стоком и истоком.Это происходит только один раз, когда напряжение на стоке к выводу истока увеличивается больше, чем напряжение отсечки. В этом случае устройство будет работать как замкнутый переключатель. Поэтому эта рабочая область используется всякий раз, когда требуются полевые МОП-транзисторы для выполнения операций переключения.

Приложения

MOSFET как переключатель

Полевые МОП-транзисторы

используются во многих различных приложениях. Они широко известны своими коммутационными характеристиками. Как мы видели ранее, N-канальный MOSFET в режиме улучшения имеет очень высокое входное сопротивление и работает от положительного входного напряжения.Это позволяет нам переключать нагрузки с высоким током или высоким напряжением, используя сигнал относительно низкого логического уровня. В следующем примере мы будем использовать N-канальный МОП-транзистор в режиме улучшения для включения и выключения простой лампы.

Как видите, в этой схеме мы хотим переключить лампу 12 В с помощью логического сигнала 5 В. Мы подключили положительную клемму лампы к источнику питания 12 В, а другой конец — к клемме стока полевого МОП-транзистора. Клемма источника подключена к GND. Сопротивление затвора к истоку (RGS) используется для предотвращения любого внешнего шума на выводе затвора.

Когда напряжение не подается, лампа остается в выключенном состоянии. Если мы подадим положительное входное напряжение (VGS) на вывод затвора полевого МОП-транзистора, лампа включится и останется включенной до тех пор, пока мы не удалим входной сигнал или не подадим отрицательное входное напряжение. Затем лампа погаснет.

Усилитель MOSFET

MOSFET или eMOSFET в режиме расширения требует минимального напряжения затвор-исток, называемого пороговым напряжением (VTH), которое должно быть приложено к затвору, чтобы он начал протекать ток от стока к истоку (VDS).По мере увеличения прямого смещения затвора ток сток-исток (IDS) также будет увеличиваться, что делает eMOSFET идеальным для использования в схемах усилителя MOSFET.

Эта простая конфигурация усилителя MOSFET в режиме расширения с общим истоком использует одиночный источник питания на выводе стока для генерации необходимого напряжения затвора (VG) с использованием резисторного делителя на резисторах R1 и R2. Схема резисторов создает необходимую схему смещения для работы в области насыщения. Нам также понадобятся резистор стока и истока и емкости связи.Значения R1 и R2 обычно большие, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и уменьшить омические потери мощности. Конденсаторы связи C1 и C2 изолируют напряжение смещения постоянного тока от сигнала переменного тока, который необходимо усилить. На изображении выше небольшой сигнал переменного тока (VGS) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к колебаниям тока стока, синхронному с приложенным входным переменным током.

Драйвер мотора H-моста

H-мост — это конфигурация схемы, обычно используемая для управления скоростью и направлением щеточного двигателя постоянного тока.Как мы видели ранее, используя полевой МОП-транзистор, мы можем легко контролировать скорость двигателя. Но это работает только в одном направлении. Чтобы сделать его двунаправленным, нам нужно подключить 4 полевых МОП-транзистора таким образом, чтобы он мог одновременно переключать как верхнюю, так и низкую стороны.

При активации одной пары (диагонально противоположных) полевых МОП-транзисторов двигатель видит, что ток течет в одном направлении, а когда активируется другая пара, ток через двигатель меняет направление. Срабатывание как нижнего, так и верхнего полевых МОП-транзисторов (но никогда вместе) прерывает ток и останавливает двигатель.

Затворы МОП-транзистора с N-каналом обычно подтягиваются понижающим резистором, а затворы МОП-транзистора с P-каналом подаются высоко. Это приводит к тому, что полевые МОП-транзисторы с каналом P и N отключаются; следовательно, ток не может течь. Когда сигнал ШИМ подается на затворы полевого МОП-транзистора, полевые МОП-транзисторы с каналом N и P попеременно включаются и выключаются, контролируя мощность.

_____

Технология полевых транзисторов может использоваться в различных областях электроники, где биполярные транзисторы не подходят.Полевой транзистор имеет очень высокое входное сопротивление и является устройством, управляемым напряжением; возможно, они являются наиболее широко используемым активным устройством. Поскольку они используются в CMOS и других технологиях интегральных схем, где потребляемая мощность является решающим фактором, полевые МОП-транзисторы обеспечивают работу с очень низким энергопотреблением. МОП-транзистор также можно использовать в качестве переключателя для управления большими нагрузками, такими как лампы или двигатели большой мощности. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора.