Защита инвертора от осциллятора: Осциллятор для инвертора своими руками

alexxlab | 08.04.2023 | 0 | Разное

Power Electronics • Просмотр темы

zulkov_ru
Аппарат был изготовлен по просьбе моего хорошего знакомого.
За основу взят промышленный сварочный трансформатор, с входными напряжениями 220-380В. выходные 80-60В. Регулировка тока выполняется за счет изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками. Соответственно характеристика круто падающая. Аппарат может работать как вольфрамовым электродом в среде инертных газов, так и штучными электродами. На заднем плане виден диодный мост. Посему работает как на переменном, так и на постоянном токе.
Рукав используется с водяным охлаждением. Для циркуляции воды, применен автомобильный бачек, омывателя стекла.
Т.к. планировалось сотворить комбайн, вверху просматривается протяжка проволоки. Но поскольку алюминиевые кузова редкость, трансформатор для полуавтомата отсутствует.
В дальнейшем использовались сварочные трансформаторы с плавной регулировкой, выполняемой за счет введения магнитного шунта (меньше габариты и масса).

Упрощенное описание работы блокинг-генератора в автоколебательном режиме.
Базовая обмотка подключается к транзистору VT8 как ПОС. Когда VT7 закрыт, в базу транзистора VT8 поступает ток от резистора R10. Транзистор VT8 приоткрывается. Ток, протекающий по коллекторной обмотке, наводит ЭДС в базовой обмотке. Как говорилось ранее, базовая обмотка подключена как ПОС., поэтому транзистор очень шустро открывается и остается в этом состоянии до тех пор, пока сердечник не начнет входить в насыщение. В этот момент ЭДС в базовой обмотке уменьшается. Тока поступающего от резистора R10 и базовой обмотки для транзистора VT8, для поддержания в открытом состоянии не достаточно. Транзистор VT8 начинает закрываться, напряжение на индуктивности меняет полярность. Напряжение, приложенное к переходу БЭ закрывает транзистор VT8. С этого момента начинается лавинообразный процесс формирования высоковольтного импульса самоиндукции.
Т.к. место применения осциллятора, как правило, неизвестно (напряжение сети), а выброс самоиндукции желательно поучить максимальный, введена цепочка ООС R13 и R14. Настраивается этот резистивный делитель под максимальное напряжение используемого транзистора. Т.е. когда выброс самоиндукции подходит к максимальному напряжению перехода КЭ транзистора VT8, с делителя к переходу БЭ подводится ток, приоткрывающий транзистор и тем самым гасит выброс самоиндукции и дополняет формирование вершины импульса (в схеме немного неудачно подключен делитель R13 и R14, более корректное подключение делителя, непосредственно в базу транзистора VT8).
По окончании импульса, работа блокинг-генератора повторяется. Период повторения импульсов? Ну, скажем так, от 1mS и меньше, я, честно говоря, никогда не мерил. В основном настраивал по амплитуде импульса и так чтобы ухо не сильно резало.
На RS триггере и транзисторах VT2, VT3, VT4, VT7 , собрана схема запуска и останова работы блокинг-генератора.
При переходе сетевого напряжения через ноль, закрывается транзистор VT2. Инверсный выход RS триггера закрывает транзистор VT7, который в свою очередь разрешает работе блокинг-генератора. Блокинг-генератор (который в данном варианте собран по схеме автоколебательного режима) непрерывно вырабатывает высоковольтные импульсы.
Высоковольтное импульсы, через С7 подводятся к выходу. После того, как зажжется силовая дуга, через выходную обмотку блокинг-генератора потечет сварочный ток. Сварочный ток введет в насыщение сердечник блокинг-генератора. Ток, проходящий по цепи VT8, R8 увеличится. Транзисторы VT3 откроется, VT4 закроется. Инверсный выход RS триггера открывает транзистор VT7, который в свою очередь прекращает работу блокинг-генератора. При помощи подстроечного резистора R51, устанавливается ток выключения.
Как результат, имеем пачки высоковольтных импульсов, появляющиеся после каждого перехода через ноль сетевого напряжения.
В схеме не указано, но я от кнопки рукава, коммутировал реле нормально замкнутые контакты которого, шунтируют переход БЭ транзистора VT8.
Номиналы резисторов R10, R12, R13 и R14.указаны от балды.
P.S. max. ток у этого аппарата толи 300, толи 500А.

Осциллятор для инвертора своими руками

Качество работ при использовании инверторной аппаратуры во многом определяется сварочной дугой, ее стабильностью и надежностью. Однако, скачки и перепады сетевого напряжения могут привести к сбою, и дуга самопроизвольно выключается. Чтобы избежать подобных ситуаций и обеспечить стабильный рабочий режим, применяется специальный прибор – осциллятор для инвертора. Он подключается параллельно к основному устройству, а его функция заключается в непосредственном возбуждении дуги и поддержании ее во время всего сварочного процесса.

Содержание

Электрическая схема осциллятора

Схемы и конструкции сварочных осцилляторов могут отличаться, исходя из условий эксплуатации и частоты использования.

Как правило, эти устройства подключаются двумя способами:

• Последовательно. Такое подключение позволяет сваривать заготовки из алюминия.
• Параллельно. Применяется во время работ с нержавеющей сталью и для краткосрочной сварки.

Типовая схема состоит из следующих электротехнических компонентов:

• Стандартная конструкция искрового одноконтурного разрядника. Эта деталь по сути является генератором и обеспечивает формирование затухающих колебаний. Он состоит из конденсатора и катушек индуктивности, соединенных параллельно между собой. Вольфрамовые электроды выполняют функцию контактов.
• Дроссели в количестве двух, также изготовленные на основе катушек индуктивности.
• Мощный повышающий трансформатор. Преобразует стандартное сетевое напряжение до 6000 В, а частоту – до 250 кГц.
• Трансформатор, установленный на выходе. Осуществляет передачу сформированного напряжения в цепь сварочного инвертора.
• Детали управляющей цепи. Сюда входит стабилизатор, регулировочные элементы пуска, контур обратной связи с датчиком тока.
• Элементы системы безопасности. Выполнены в виде предохранительных цепей, защищающих схему от перегрузок, а самого рабочего – от поражения электротоком.

Взаимодействие с инвертором

Принцип действия аппаратуры, стабилизирующей работу инвертора, состоит в дополнительной подаче высокого напряжения к электроду. Оно поступает периодически, вместе с основным выходным напряжением самого сварочного агрегата. Напряжение поступает в виде импульсов, имеющих характерную амплитудную модуляцию. Их параметры могут достигать 6 кВ, а частота находится в пределах 150-500 кГц.

Продолжительность сформированных импульсов незначительная, поэтому они отличаются очень маленькой скважностью, вполне достаточной для получения необходимой мощности – до 300 Вт. Их воздействие приводит к образованию кратковременного электрического пробоя между деталью и электродом, повышающего надежность контакта. Осциллятор запускается в тот момент, когда электрод приближается к металлу примерно на 5 мм. Под действием электрических импульсов воздушный промежуток ионизируется, после чего возникает мгновенный разряд.

Управление осциллятором производится специальной кнопкой, удобно расположенной на держателе. Если используется аргоновая сварка, то управляющая кнопка размещается непосредственно на горелке.

Благодаря высокой степени ионизации, электропроводность воздуха существенно повышается. Через этот промежуток происходит мгновенное течение дугового тока, сформированного в инверторе. В результате, сварочная дуга появляется и затем продолжает гореть в рабочем режиме. За счет импульсов этот процесс поддерживается непрерывно и не прекращается даже при случайном увеличении воздушного зазора. Ток, произведенный осциллятором, объединяется с током инвертора, и их совместных усилий вполне хватает для поддержания дуги в любых условиях.

Разновидности осцилляторов

Использование сварочного осциллятора возможно лишь в качестве дополнительного устройства. Сам по себе он не может обеспечить рабочий процесс, из-за малой мощности и невозможности к самостоятельному соединению и расплавлению металлов. Основное предназначение прибора заключается в зажигании дуги и поддержке ее стабильного состояния без контакта электрода с металлической поверхностью.

Подобного результата удалось добиться за счет генерации высокого напряжения с высокой частотой, способного пробить воздушное пространство между металлом и электродом. Создается зона ионизированного воздуха, по которой в дальнейшем начинается течение уже основного сварочного тока.

В зависимости от рабочих режимов, все осцилляторы можно условно разделить на следующие группы:

• Устройства непрерывного действия (рис. 1). Способны выдавать ток напряжением до 6000 вольт, частотой порядка 250 кГц. Этот дополнительный потенциал объединяется с основным сварочным током, способствуя мгновенному зажиганию дуги на определенном расстоянии от детали. Высокая частота обеспечивает стабильность, независимо от параметров инверторного тока. За счет малой мощности, дополнительный ток совершенно безопасен для сварщика. Прибор подключается к инвертору по параллельной или последовательной схеме. Последний вариант используется чаще и не требует дополнительной защиты от высокого напряжения.
• Импульсные осцилляторы (рис. 2). Очень удобны при выполнении сварочных работ переменным током. Данные устройства обладают способностью к постоянному поддержанию дуги при изменяющейся полярности электричества. Они легко зажигают дугу при отсутствии каких-либо контактов электрода и заготовки. В целом, импульсные приборы имеют некоторые преимущества перед непрерывно действующими осцилляторами.
• Приборы с использованием накопительных конденсаторов. Данные компоненты устанавливаются в общую схему и в дальнейшем обеспечивают работу устройства в режиме заряда-разряда. Наполнение конденсаторов энергией осуществляется с помощью зарядного модуля. В момент начала работы энергия заряженных конденсаторов отдается дуге. Затем они отключаются от схемы разряда и автоматически подключаются к зарядному модулю. При возникновении угрозы прерывания дуги происходит переключение конденсаторов на рабочую цепь сварочной аппаратуры.

Как самому изготовить прибор

При наличии определенных знаний и практических навыков работы с электроникой, изготовить осциллятор для инвертора самому не составит особого труда. Вариантов устройства может быть несколько, поэтому, выбирая наиболее подходящую схему, нужно обязательно определиться с условиями работы и другими исходными данными.

Как правило, учитываются следующие факторы:

• Целевое назначение аппаратуры. Желательно максимально точно определиться, с каким материалом придется работать. У каждого металла имеются свои особенности, которые учитываются при составлении схемы.
• Основные параметры тока и напряжения: переменный или постоянный, характеристики сетевого напряжения и т.д.
• Величина допустимой электрической мощности. Определяется мощностью входа обычных цепей, не превышающей 250 Вт. Увеличение этого показателя, неизбежно повлечет за собой повышение стоимости деталей и всего прибора в целом.
• Значение создаваемого вторичного напряжения, обычно, не более 3 кВт.

В домашнем хозяйстве чаще всего требуется сварка алюминиевых заготовок. Поэтому нужно выбирать схему, наиболее полно обеспечивающую именно этот вид работ. Вначале нужно выбрать подходящий трансформатор, способный повысить напряжение с обычных 220 до 3000 В.

На следующем этапе устанавливается разрядник, пропускающий искру. Далее производится включение в схему колебательного контура. В нем обязательно должен присутствовать блокировочный конденсатор, обеспечивающий генерацию импульсов высокой частоты. С его помощью прибор обретает все необходимые показатели. Сварочной дуге придается стабильность, а ее зажигание значительно упрощается.

По завершении сборки проверяется работоспособность готового устройства. Вначале выполняется пуск, вызывающий запуск разрядника и создание высокочастотных импульсов с помощью повышающего трансформатора. После возникновения дуги появляется мощное магнитное поле, которое попадает в катушку с обмоткой из толстого провода. Здесь это поле преобразуется в электрический ток, подключаемый плюсом к горелке, а минусом – к заготовке. В эту же горелку поступает газ, проходящий через специальный клапан и начинается сварка.

В варианте с электродами осциллятор для инвертора изготавливается уже по другим схемам, поэтому, чтобы не возникало путаницы, нужно заранее изучить готовый чертеж или составить собственную схему. Соблюдая все установленные правила, даже начинающий мастер соберет осциллятор.

Особенности эксплуатации

Комфортная и безопасная работа со сварочной инверторной аппаратурой во многом зависит от установленных правил, требующих обязательного соблюдения. В этом случае сварка алюминия, нержавейки и других цветных металлов будет качественной и надежной.

В процессе эксплуатации нужно обратить внимание на следующее:

• Осцилляторы совместно с инверторами могут использоваться внутри помещений и при выполнении наружных работ.
• Работая снаружи, нужно выбирать подходящие погодные условия, избегать дождя и снега. Температурный диапазон, при котором сохраняется нормальная работоспособность, находится в диапазоне от минус 10 до плюс 40^С.
• Уровень влажности наружного воздуха должен быть не более 98%.
• Не рекомендуется эксплуатация приборов в помещениях и других местах с сильным запылением, где присутствуют едкие газы и пары, оказывающие разрушающее действие на металл и изолирующие материалы.
• Перед началом работ нужно убедиться в наличии заземления.

Интегральные комплиментарные инверторы и кольцевые генераторы на основе вертикально-канальных двухбазовых органических тонкопленочных транзисторов

• Артикул
• Опубликовано: 15 июля 2021 г.

• Эрцзюань Го ORCID: orcid. org/0000-0002-2205-8030 ¹ ,
• Шен Син ¹ ,
• Феликс Доллингер ОРЦИД: orcid.org/0000-0003-4904-0276 ¹ ,
• Рене Хюбнер ORCID: orcid.org/0000-0002-5200-6928 ² ,
• Шу-Джен Ван ¹ ,
• Чжунбинь Ву ORCID: orcid.org/0000-0002-8425-5013 ^1,3 ,
• Карл Лео ¹ и
• …
• Ханс Климанн ORCID: orcid.org/0000-0002-9773-6676 ¹  

Природа Электроника том 4 , страницы 588–594 (2021)Процитировать эту статью

Предметы

• Электротехника и электроника
• Электронные и спинтронные устройства

Abstract

Органические тонкопленочные транзисторы с двойным затвором и боковым каналом использовались в псевдокомплементарных инверторах металл-оксид-полупроводник (КМОП) для управления напряжением переключения. Однако их относительно большая длина канала в сочетании с низкой подвижностью носителей заряда органических полупроводников обычно приводит к медленной работе инвертора. Органические тонкопленочные транзисторы с вертикальным каналом и двойным затвором являются многообещающей альтернативой из-за их короткой длины канала, но отсутствие соответствующих устройств p- и n-типа ограничивает разработку дополнительных схем инвертора. Здесь мы показываем, что органические вертикальные n-канальные проницаемые одно- и двухбазовые транзисторы, а также вертикальные p-канальные транзисторы с проницаемой базой можно использовать для создания интегрированных комплиментарных инверторов и кольцевых генераторов. Вертикальные двухбазовые транзисторы обеспечивают сдвиг напряжения переключения и увеличение коэффициента усиления. Инверторы имеют небольшие постоянные времени переключения на частоте 10 МГц, а семикаскадные комплементарные кольцевые генераторы демонстрируют короткие задержки распространения сигнала 11 нс на каскад при напряжении питания 4В.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Варианты доступа

Подписка на этот журнал

Получите 12 цифровых выпусков и онлайн-доступ к статьям

118,99 € в год

всего 9,92 € за номер

Подробнее

Арендуйте или купите эту статью

Получите только эту статью столько, сколько вам нужно

$39,95

Узнайте больше

Цены могут облагаться местными налогами, которые рассчитываются при оформлении заказа

Рис. 1: Изготовление вертикальных органических транзисторов n- и p-типа. Рис. 2: Характеристики статического транзистора. Рис. 3: Контроль напряжения переключения. Рис. 4: Статические и динамические характеристики инвертора. Рис. 5: Динамические характеристики интегрированных семиступенчатых дополнительных кольцевых генераторов.

Доступность данных

Все данные, подтверждающие это исследование, включены в эту статью и ее файлы с дополнительной информацией. Исходные данные приводятся вместе с настоящей статьей.

Ссылки

1. Chen, Y. et al. Гибкий дисплей на электронных чернилах с активной матрицей. Природа 423 , 136 (2003).

   Артикул Google Scholar

2. Сюй, К., Лу, Ю. и Такей, К. Многофункциональные гибкие сенсорные системы на основе кожи для носимой электроники. Доп. Матер. Технол. 4 , 1800628 (2019).

   Артикул Google Scholar

3. Хан, Х.У. и др. Обнаружение ДНК без меток in situ с использованием сенсоров на органических транзисторах. Доп. Матер. 22 , 4452–4456 (2010).

   Артикул Google Scholar

4. “>

   Секитани Т., Зшишанг У., Клаук Х. и Сомея Т. Гибкие органические транзисторы и схемы с исключительной устойчивостью к изгибу. Нац. Матер. 9 , 1015–1022 (2010).

   Артикул Google Scholar

5. Мыни К. Разработка гибких интегральных схем на основе тонкопленочных транзисторов. Нац. Электрон. 1 , 30–39 (2018).

   Артикул Google Scholar

6. МакФерсон, М. Р. Расчеты сдвига порога для ионно-имплантированных МОП-устройств. Твердый. Государственный электрон. 15 , 1319–1326 (1972).

   Артикул Google Scholar

7. Люссем, Б. и др. Легированные органические транзисторы, работающие в режиме инверсии и обеднения. Нац. коммун. 4 , 2775 (2013).

   Артикул Google Scholar

8. “>

   Ли, К.-Т. и Чен, Х.-К. Механизмы улучшения характеристик органических тонкопленочных транзисторов с использованием пентацена, легированного MoO _x , в качестве канального слоя. Орг. Электрон. 12 , 1852–1857 (2011).

   Артикул Google Scholar

9. Паниди, Дж. и др. Введение нелетучей примеси n-типа резко улучшает перенос электронов в полимерных и низкомолекулярных органических транзисторах. Доп. Функц. Матер. 29 , 1

   4 (2019).

   Артикул Google Scholar

10. Цуй, Т. и Лян, Г. Двухзатворные пентаценовые органические полевые транзисторы на основе наноассемблированного SiO ₂ тонкая пленка из наночастиц в качестве диэлектрического слоя затвора. Заяв. физ. лат. 86 , 064102 (2005).

    Артикул Google Scholar

11. “>

    Иба, С. и др. Управление пороговым напряжением органических полевых транзисторов с двухзатворной структурой. Заяв. физ. лат. 87 , 023509 (2005 г.).

    Артикул Google Scholar

12. Гелинк, Г. Х., Ван Венендал, Э. и Кохорн, Р. Органические тонкопленочные транзисторы с двумя затворами. Заяв. физ. лат. 87 , 073508 (2005 г.).

    Артикул Google Scholar

13. Чуа, Л. Л., Френд, Р. Х. и Хо, П. К. Х. Органические полевые транзисторы с двойным затвором: операция логического И. Заяв. физ. лат. 87 , 253512 (2005 г.).

    Артикул Google Scholar

14. Морана М., Брет Г. и Брабек С. Органический полевой транзистор с двойным затвором. Заяв. физ. лат. 87 , 153511 (2005 г.).

    Артикул Google Scholar

15. “>

    Spijkman, M. et al. Повышение запаса помехоустойчивости в органических схемах с помощью двухзатворных полевых транзисторов. Заяв. физ. лат. 92 , 143304 (2008 г.).

    Артикул Google Scholar

16. Myny, K. et al. Схемы на униполярных органических транзисторах стали более надежными благодаря технологии двойного затвора. IEEE J. Твердотельные схемы 46 , 1223–1230 (2011).

    Артикул Google Scholar

17. Клаук Х. Увидим ли мы гигагерцовые органические транзисторы? Доп. Электрон. Матер. 4 , 1700474 (2018).

    Артикул Google Scholar

18. Гринман, М., Йоффис, С. и Тесслер, Н. Дополнительный инвертор из вертикальных органических полевых транзисторов со структурированным электродом истока. Заяв. физ. лат. 108 , 043301 (2016).

    Артикул Google Scholar

19. Климанн Х., Кречан К., Фишер А. и Лео К. Обзор вертикальных органических транзисторов. Доп. Функц. Матер. 30 , 1

    3 (2020).

    Артикул Google Scholar

20. Доллинджер, Ф. и др. Вертикальные органические тонкопленочные транзисторы с анодированным проницаемым основанием для очень низкого тока утечки. Доп. Матер. 31 , 17 (2019).

    Артикул Google Scholar

21. Лим, К.Г. и др. Анодирование для упрощения обработки и эффективного переноса заряда в вертикальных органических полевых транзисторах. Доп. Функц. Матер. 30 , 2001703 (2020).

    Артикул Google Scholar

22. “>

    Guo, E. et al. Высокоэффективные статические индукционные транзисторы на основе низкомолекулярных органических полупроводников. Доп. Матер. Технол. 5 , 2000361 (2020).

    Артикул Google Scholar

23. Lenz, J., del Giudice, F., Geisenhof, F. R., Winterer, F. & Weitz, R. T. Вертикальные органические транзисторы с электролитическим управлением демонстрируют непрерывную работу в MA cm ⁻² режим и искусственное синаптическое поведение. Нац. нанотехнологии. 14 , 579–585 (2019).

    Артикул Google Scholar

24. Perinot, A. & Caironi, M. Доступ к работе в МГц при 2 V с полевыми транзисторами на основе печатных полимеров на пластике. Доп. науч. 6 , 1801566 (2019).

    Артикул Google Scholar

25. “>

    Ben-Sasson, A.J. et al. Транзистор с вертикальным полевым эффектом с узорчатым электродом, изготовленный с использованием наношаблонов блок-сополимера. Заяв. физ. лат. 95 , 213301 (2009 г.).

    Артикул Google Scholar

26. Ben-Sasson, A.J. et al. Самосборный вертикальный органический полевой транзистор на основе металлической нанопроволоки. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 7 , 2149–2152 (2015 г.).

    Артикул Google Scholar

27. Субеди, К. Н., Аль-Шадеди, А. и Люссем, Б. Стабильность органических транзисторов с проницаемой базой. Заяв. физ. лат. 115 , 193301 (2019).

    Артикул Google Scholar

28. Кашура, Ф., Фишер, А., Касеманн, Д., Лео, К. и Люссем, Б. Управляющая морфология: вертикальный органический транзистор с самоструктурированной проницаемой базой с использованием нижнего электрода в качестве затравочного слоя. Заявл. физ. лат. 107 , 033301 (2015).

    Артикул Google Scholar

29. Kheradmand-Boroujeni, B. et al. Метод измерения слабого сигнала со смещением импульсов, обеспечивающий работу вертикальных органических транзисторов на частоте 40 МГц. науч. Респ. 8 , 7643 (2018).

    Артикул Google Scholar

30. Доллинджер, Ф. и др. Электрически стабильные органические транзисторы с проницаемой базой для дисплеев. Доп. Электрон. Матер. 5 , 1

31. 6 (2019).

    Артикул Google Scholar

32. Люссем, Б. и др. Легированные органические транзисторы. Хим. Ред. 116 , 13714–13751 (2016 г.).

    Артикул Google Scholar

33. Guo, E. et al. Вертикальные органические проницаемые двухбазовые транзисторы для логических схем. Нац. коммун. 11 , 4725 (2020).

    Артикул Google Scholar

34. Клингер М.П. и др. Органическая силовая электроника: работа транзистора в режиме ² кА/см. науч. Респ. 7 , 4471 (2017).

    Артикул Google Scholar

35. Дао, Т. Т. и др. Контролируемое пороговое напряжение в органических комплементарных логических схемах с полимером, улавливающим электроны, и диэлектрическим слоем фотоактивного затвора. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 8 , 18249–18255 (2016 г.).

    Артикул Google Scholar

36. Ю, Х., Он, С., Ли, С. Б., Чо, К. и Ким, Дж. Дж. Органические транзисторы с гетеропереходом с отрицательной крутизной и их применение в полноповоротных тройных схемах. Доп. Матер. 31 , 1808265 (2019).

    Артикул Google Scholar

37. Shiwaku, R. et al. Печатные органические инверторные схемы со сверхнизкими рабочими напряжениями. Доп. Электрон. Матер. 3 , 1600557 (2017).

    Артикул Google Scholar

38. Borchert, J.W. et al. Гибкие низковольтные высокочастотные органические тонкопленочные транзисторы. науч. Доп. 6 , eaaz5156 (2020).

    Артикул Google Scholar

39. Borchert, J.W. et al. Малое контактное сопротивление и высокочастотная работа гибких низковольтных инвертированных копланарных органических транзисторов. Нац. коммун. 10 , 1119 (2019).

    Артикул Google Scholar

40. “>

    Бенвадих, М. и др. Интеграция графеновых чернил в качестве электрода затвора для печатных органических комплементарных тонкопленочных транзисторов. Орг. Электрон. 15 , 614–621 (2014).

    Артикул Google Scholar

41. Райтери Д., Ван Лисхаут П., Ван Рурмунд А. и Кантаторе Э. Логика сдвига уровня с положительной обратной связью для электроники большой площади. IEEE J. Твердотельные схемы 49 , 524–535 (2014).

    Артикул Google Scholar

42. Китамура, М., Кузумото, Ю., Аомори, С. и Аракава, Ю. Высокочастотный органический дополнительный кольцевой генератор, работающий на частоте до 200 кГц. Заявл. физ. Экспресс 4 , 051601 (2011).

    Артикул Google Scholar

43. Baeg, K.J. et al. Низковольтные, высокоскоростные гибкие комплементарные полимерные электронные схемы, напечатанные с помощью струйной печати. Орг. Электрон. 14 , 1407–1418 (2013).

    Артикул Google Scholar

44. Ке, Т. Х. и др. Уменьшение органических дополнительных логических элементов для компактной логики на фольге. Орг. Электрон. 15 , 1229–1234 (2014).

    Артикул Google Scholar

Ссылки на скачивание

Благодарности

E.G. и С.С. признаем финансовую поддержку Китайского стипендиального совета (№ 2017068

и 201706070125). З.В. признает финансирование от Фонда Александра фон Гумбольдта и фондов фундаментальных исследований для центральных университетов. К.Л. и Ф.Д. выражаем благодарность за поддержку Немецкого исследовательского фонда (DFG) в рамках грантов LE747/52-2 (SPP FflexCom/Flexartwo) и LE747/62-1. Кроме того, с благодарностью признается использование оборудования HZDR Ion Beam Center TEM и финансирование TEM Talos Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF; грант № 03SF0451) в рамках HEMCP. Мы благодарим H. Tang из Leibniz IFW Dresden за ее помощь в оптической визуализации. Мы также благодарим Y. Gao из TU Dresden за ее помощь в измерениях кольцевого генератора.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Дрезденский интегрированный центр прикладной физики и фотонных материалов (IAPP), Технический университет Дрездена, Дрезден, Германия Ву, Карл Лео и Ханс Климанн

2. Институт физики ионных пучков и исследования материалов, Гельмгольц-центр Дрезден-Россендорф (HZDR), Дрезден, Германия

   Рене Хюбнер

3. Научный центр Frontiers для гибкой электроники, Сианьский институт гибкой электроники (IFE) и Сианьский институт биомедицинских материалов и инженерии, Северо-Западный политехнический университет, Сиань, Китай

   Zhongbin Wu

Авторы

1. Erjuan Guo

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Shen Xing

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Felix Dollinger

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. René Hübner

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Shu-Jen Wang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

6. Zhongbin Wu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

7. Karl Leo

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

8. Hans Kleemann

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Взносы

Х. К. и К.Л. предложил и курировал проект. Э.Г., З.В. и Х.К. разработал эксперимент. Э.Г., С.Х., Ф.Д. и С.-Дж.В. выполнил характеристику устройства. Р. Х. провел анализ ПЭМ. Э.Г., З.В., Х.К. и К.Л. проанализировал данные и стал соавтором рукописи. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.

Авторы переписки

Переписка с Erjuan Guo, Zhongbin Wu или Hans Kleemann.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Информация о рецензировании Nature Electronics благодарит Mario Caironi и других анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы.

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительная информация

Дополнительная информация

Дополнительная информация Рис. 1–6, подписи к рисункам и обсуждение, а также таблицы 1 и 2.

Исходные данные

Исходные данные Рис. 2

Передаточная и выходная кривые OPBT n-типа и OPBT p-типа соответственно.

Исходные данные Рис. 3

Характеристики передачи статического напряжения.

Исходные данные Рис. 4

Кривые передачи статического напряжения и динамические характеристики.

Исходные данные Рис. 5

Динамическая характеристика кольцевых генераторов при 6 В и время задержки на каскад.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Органические цепи достигают новых высот

  • Вэй Хуан
  • Антонио Факкетти

  Натур Электроникс (2021)

Патент США на схему защиты входа для КМОП-генератора.

Патент (Патент № 4,048,584, выдан 13 сентября 1977 г.)

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники

Изобретение относится к схемам генератора с бритвенной защитой входов.

2. Краткое описание предшествующего уровня техники

Хорошо известно, что при работе с МОП- или КМОП-устройствами входы затворов с высоким импедансом должны быть защищены от перенапряжений статического электричества. Напряжение пробоя изолятора затвора типичных КМОП-устройств составляет примерно 80 вольт. Для рассеивания перенапряжения статического электричества используются многочисленные входные схемы защиты. Многие из этих устройств защиты входов используют PN-диоды в структурах интегральных схем. Такие защитные устройства эффективны, но в некоторых случаях может потребоваться обратная связь от внутренних частей схемы генератора, чтобы повысить защищенный узел за пределами пределов напряжения питания. Известные схемы защитных диодов ограничивают защищенный узел в пределах падения напряжения на диоде относительно питающих напряжений. Такое ограничение нежелательно в некоторых случаях и препятствует использованию некоторых полезных методов проектирования схем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание генератора, в котором предотвращается отсечение колебаний напряжения в узле синхронизации генератора входной схемой защиты генератора.

Вкратце изобретение представляет собой генератор, включающий в себя усилитель, имеющий вход и выход. У усилителя есть точка переключения, которая представляет собой значение входного напряжения, при котором выходное напряжение переключается с одного уровня напряжения на противоположный уровень напряжения. Генератор включает в себя средство для соединения выходного сигнала на выходе усилителя со входом для усиления входного сигнала. Генератор включает в себя схему защиты входа, соединенную со входом усилителя для создания высокого импеданса на входе, когда входной сигнал находится в пределах заданного диапазона напряжений. В предпочтительном варианте усилительная часть включает в себя два КМОП-инвертора, соединенных каскадом. Конденсатор подключен между выходом второго инвертора и входом первого инвертора. Защитная сеть включает в себя две пары встречно-параллельных диодов, включенных между входом усилителя и двумя проводниками напряжения питания, питающими КМОП-инверторы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 представлена ​​схема предпочтительного в настоящее время варианта осуществления изобретения.

РИС. 2 представляет собой диаграмму поперечного сечения части интегральной схемы, воплощающей схему, показанную на фиг. 1, показывающий защитную сеть в полупроводниковой структуре.

РИС. 3а представляет собой принципиальную схему цепи, включающей резистор, конденсатор и кристалл, который можно подключить между двумя клеммами схемы на фиг. 1.

РИС. 3b представляет собой схему LC-сети, которая может быть подключена между двумя клеммами схемы на фиг. 1.

РИС. 4 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую реализацию схемы КМОП-инвертора, которую можно использовать в схеме на фиг. 1.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1, двухвыводной КМОП-генератор 10 включает в себя два вывода или вывода 12 и 14, к которым может быть подключена внешняя цепь или элемент управления частотой. Специалистам в данной области техники понятно, что генератор называется двухвыводным генератором, потому что имеется два таких вывода управления частотой, к которым может быть подключено внешнее устройство управления частотой. Например, генераторы, которым требуется три внешних контакта для подключения к внешней сети управления частотой, называются генераторами с тремя выводами. Генератор 10 включает в себя усилитель 31, который включает в себя два КМОП-инвертора 30 и 40. Инверторы 30 и 40 могут быть реализованы, как показано на схематическом чертеже на фиг. 4. Генератор 10 также включает в себя инвертор 44, который может быть реализован, как показано на фиг. 4. Генератор 10 также включает входную защитную сеть 21 для защиты изоляторов полевых МОП-транзисторов инверторов 30, 40 и 44 от разрушения перенапряжениями, подаваемыми на клемму 14. Напряжения статического электричества достаточной величины для частого разрыва диэлектриков затворов полевых МОП-транзисторов. возникают при обращении с полупроводниковыми элементами перед их установкой в ​​цепь или систему. Резистор 11 подключен между клеммами 12 и 14. Пунктирные линии показывают, что резистор 11 является внешним по отношению к корпусу, в котором упакован остальной генератор 10. Однако можно использовать и другие элементы управления частотой, кроме резистора 11. Например, кварцевая схема на фиг. 3А или LC-цепь на фиг. 3b можно использовать. Однако тогда схема будет работать в линейном или синусоидальном режиме.

Цепь защиты входа 21 включает резистор 22, подключенный между клеммой 14 и узлом 24. Катод диода 16, обозначенный D1, подключен к клемме 14. Пунктирная линия, идущая от D1, указывает, что диодный эффект D1 распределяется по длине резистор 22. Это можно понять из фиг. 2, где видно, что резистор 22 представляет собой N+-область, диффундирующую в P-область 16A, которая, в свою очередь, сформирована внутри полупроводниковой подложки 54 с N-проводимостью. Как показано символами диодов и пунктирной линией на фиг. 2, D1 представляет собой просто диод, образованный вдоль соединения между рассеянным резистором 22 и P-областью 16A. Возвращаясь к фиг. 1, анод диода D2 соединен с анодом D1. Возвращаясь к фиг. 2 область структуры, включающая диод D2 (позиция 18), обозначена символом диода на PN-переходе, образованном областью 16А и подложкой 54. Подложка 54 образует катод диода D2 и соединена с V . Проводник 20 напряжения DD. Анод диода D3 также соединен с анодом D1, как видно на фиг. 1. Символ диода на переходе между областью N+ 59и Р-область 16А на фиг. 2 указывает на физическую реализацию D3. Катод D3 (позиция 28) соединен с V DD.

Схема защиты 21 также включает диод D4, ссылочный номер 32, катод которого соединен с примечанием 24, а его анод соединен с анодом диода D5, ссылочный номер 34, катод которого соединен с проводником напряжения VSS 36 Предпочтительная реализация D4 и D5 в реализации изобретения на КМОП-интегральной схеме обозначена символами диода D4 и D5 на фиг. 2. Секция 31 усилителя включает в себя КМОП-инвертор 30, вход которого подключен к узлу 34, а его выход подключен к входу КМОП-инвертора 40, выход которого подключен к узлу 42. Конденсатор 38 подключен между узлами 24 и 42. КМОП-инвертор 44. имеет вход, подключенный к узлу 42, а его выход, подключенный к клемме 12. Схема, включающая диоды 46, 50, 52, резистор 48 и КМОП-инвертор 54, обеспечивает выходную схему для генерирования выходного импульса в узле 56, частота которого определяется остальная часть схемы генератора 10. Диоды 46, 50 и 52 и резистор 48 обеспечивают обычную входную схему защиты для защиты изоляторов затворов полевых МОП-транзисторов инвертора 64 от перенапряжений статического электричества, которые могут создавать перенапряжения на клемме 12 во время работы. устройства.

Сначала будет объяснена работа схемы защиты 21 генератора 10. Требуемая работа схемы 21 защиты входа происходит, когда генератор 10 не подключен к каким-либо источникам питания, а скорее изготавливается или обрабатывается во время транспортировки или иным образом обрабатывается. Для более полного описания среды перенапряжений статического электричества, которым часто подвергаются электронные компоненты во время производства, испытаний и обращения, см. №3,911 296.

Если, например, на вход 14 подается большой импульс положительного шумового напряжения, диод D1 смещается в обратном направлении и подвергается обратному пробою при напряжении приблизительно 30 вольт, что характерно для широко используемого процесса производства КМОП. (Для этого обсуждения, поскольку генератор 10 не подключен к каким-либо источникам питания, будет предполагаться, что V SS и V DD равны 0 вольт.) После короткой задержки распространения через резистор 22 и поскольку он заряжает конденсатор 38, диод D3 будет смещен в прямом направлении. Следовательно, импульс положительного шумового напряжения должен заряжать большую емкость, связанную с проводником 20 VDD, а также емкость затвора полевых МОП-транзисторов в КМОП-инверторе 30. Емкость, связанная с проводником напряжения VDD, обычно будет достаточно большим, чтобы рассеять энергию импульса положительного шума до того, как напряжение в узле 24 достигнет точки разрыва диэлектриков затвора полевых МОП-транзисторов в инверторе 30. Аналогичным образом, диод D4 также выйдет из строя примерно при 30 вольт, а D5 быть смещенным в прямом направлении, так что импульс положительного статического электричества также должен заряжать емкость, связанную с проводником V SS , в то же время он заряжает емкость, связанную с проводником V DD 20, дополнительно увеличивая степень защиты, предусмотренной для МОП-транзисторов инвертора 30.

Если на клемму 14 подается отрицательный импульс статического электричества, диод D1 смещается в прямом направлении, а также диод D4 смещается в прямом направлении. Диоды D3 и D5 подвергаются обратному пробою при напряжении приблизительно 30 вольт, тем самым обеспечивая низкий импеданс от клеммы 14 до емкостей, связанных с проводником 20 VDD и проводником 36 VSS.

Далее операция схемы входной защиты анализируется, когда генератор 10 подключен к источнику питания и работает. Предположим, что V SS равно 0 вольт, а V DD равно 10 вольт для следующего пояснения работы. Предположим, что изначально узел 24 находится под напряжением 0 вольт. Тогда в узле 33 будет напряжение VDD вольт или 10 вольт. Поэтому узел 42 будет на 0 вольт. Клемма 12 будет на 10 вольт. Первоначально клемма 14 будет на 0 вольт. Поэтому зарядный ток будет протекать через резистор 11 и резистор 22, стремясь зарядить конденсатор 38. Предположим также, что точка переключения инвертора 30 составляет 5 вольт. Для КМОП-инвертора вполне обычно проектировать МОП-транзисторы с каналами P и N таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось равным VDD вольт до тех пор, пока входное напряжение не достигнет VDD/2 вольт, после чего выходное напряжение резко переключается. до 0 вольт. Зарядка через резисторы 11 и 22 продолжается до тех пор, пока узел 24 не достигнет 5 вольт, после чего инвертор 30 переключится, узел 33 перейдет к 0 вольт, узел 42 перейдет к 10 вольт, а клемма 12 перейдет к 0 вольт. Когда напряжение в узле 42 быстро возрастает до 10 вольт, напряжение на конденсаторе 38, которое только что было заряжено до 5 вольт, остается по существу постоянным. Следовательно, напряжение в узле 24 повышается с VDD/2 вольт (т.е. 5 вольт) до VDD/2 + VDD вольт (т.е. 15 вольт), когда узел 42 повышается от 0 до VDD вольт (т.е. 10 вольт). Когда в узле 24 повышается напряжение до напряжения, превышающего VDD вольт, диод D1 становится смещенным в обратном направлении, а также диод D4 становится смещенным в обратном направлении. Следовательно, входная схема 21 защиты не препятствует начальной загрузке или повышению напряжения узла 24 выше VDD вольт. В этот момент в узле 12 находится 0, а в узлах 24 и 14 примерно 15 вольт, при условии, что резистор 22 относительно мал. Типичное значение резистора 22 составляет 200 Ом. Типичное значение для конденсатора 38 составляет 20 пикофарад. Типичное значение внешнего резистора 11 составляет 100 кОм.

Далее ток начинает течь из конденсатора 38 через резисторы 22 и 11 на клемму 12, на которой 0 вольт. Узел 24 начинает разряжаться на землю, и когда он достигает 5 вольт или VDD/2 вольт, инвертор 30 переключается, так что узел 33 переходит на 10 вольт, узел 42 переключается на 0 вольт, а узел 12 повышается до 10 вольт.