Схемотехника и моделирование полупроводниковых структур мощных аналогов негатронов, дефензоров и автогенераторов на их основе

Актуальность темы

Транзисторные аналоги негатронов (АН) по сравнению с негатронами (динистор, тиристор, однопереходный транзистор, туннельный диод) обладают лучшей воспроизводимостью и управляемостью характеристик, повышенной температурной стабильностью, более высокими рабочими частотами. Они нашли применение в маломощных автогенераторах, автогенераторных датчиках, активных фильтрах, которые легко могут быть изготовлены в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Сделаны попытки реализовать полупроводниковую структуру АН с М-образной вольтамперной характеристикой повышенной мощности для мощных автогенераторов, элементов защиты источников питания от последствий короткого замыкания в нагрузке, многократного действия (дефензоров). Изучены элементы защиты с мощным АН на основе транзистора со встроенным в него тиристором или полевым транзистором, но ВАХ таких АН трудно регулируемы. Мощные автогенераторы на АН пока не исследованы. Потребности в мощных автогенераторах для источников вторичного питания, медицинских приборов, сварочных аппаратов, устройств плавления металлов, управления пьезодвигателями, устройств защиты источников питания от последствий короткого замыкания в нагрузке огромна. Именно поэтому целесообразно эти устройства изготавливать в виде мощных полупроводниковых интегральных микросхем. Необходимо рассмотреть особенности, достоинства и недостатки этих устройств.

Целью работы является синтез схем и моделирование мощных аналогов негатронов, построенных на их основе дефензоров и автогенераторов.

Для достижения указанной цели предполагается решение следующих задач:

— исследование макетов модернизированных АН с мощными транзисторами, АН со сложными составными транзисторами, выявление их особенностей, анализ частотных свойств составных транзисторов;

— формулирование требований к ВАХ АН для дефензоров;

— исследование макетов дефензоров, построенных на мощных АН;

— анализ условий реализации мощных автогенераторов на АН с электромеханическими преобразователями с компенсацией паразитных параметров преобразователей;

— разработка метода определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН для выявления условий при которых он максимален;

— компьютерное моделирование автогенераторов.

Научная новизна:

— разработана методика проектирования микросхем сильноточных (0,1−5А) аналогов негатронов;

— разработан метод определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН, позволивший определить условия, при которых коэффициент полезного действия автогенераторов максимален;

— определены условия возникновения колебаний в полупроводниковых структурах мощных автогенераторов на АН с электромеханическими преобразователями (пьезоэлектрическими, магнитострикционными, электромагнитными) при компенсации паразитных параметров преобразователей;

— обнаружен эффект появления повышенных выходных напряжений, в полупроводниковой структуре мощного автогенератора на АН с параллельным колебательным контуром.

Практическая ценность работы:

— получены модернизированные схемы аналогов динистора, в которых исключен резистор нагрузки, снижающий коэффициент полезного действия мощных автогенераторов;

— выявлены схемы АН на МДП-транзисторах, не содержащие резистор нагрузки;

— синтезированы схемы мощных ЛН с^{образными} ВАХ на основе составных транзисторов, изучены частотные свойства сложных составных транзисторов;

— реализованы мощные термостабильные дефензоры на АН;

— построен макет полупроводниковой структуры электронного сварочного аппарата работающего на эффекте появления повышенных выходных напряжений, в полупроводниковой структуре мощного автогенератора на АН с параллельным колебательным контуром;

— разработаны топологии микросхем мощных дефензоров и автогенераторов на аналогах негатронов.

Результаты диссертации использованы при выполнении научно-исследовательских работ выполняемых в рамках совместного гранта Министерства образования и науки РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития №ЯЕС-004.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на Всероссийских научно-технических конференциях «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2002 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (2000;2004 гг.), на IV и V международных научно-практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2003;2004 гг.), на IV и V международных научно-технических конференциях «Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе» (Баку-Сумгаит, 2003;2004 гг.), на семинаре «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники» (Шахты, 2005 г.).

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе шесть статей и девять тезисов докладов.

Основные положения, ныносимые на защиту.

1. Использование модернизированных АН и составных транзисторов в АН с Ы-образной ВАХ позволяет увеличить рабочие токи до единиц-десятков амперрабочие частоты составных транзисторов в схеме с общей базой возрастают, а в схеме с общим эмиттеромпонижаются или не изменяются.

2. Сформулированным требованиям к ВАХ дефензоров удовлетворяют АН, построенные по принципу ответвления тока базы основного транзистора в дополнительную цепь.

3. В генераторах с пьезопреобразователем при компенсации паразитной емкости преобразователя индуктивностью катушки необходимо использовать АН с Ы-образной ВАХ, а в генераторах с электромагнитными преобразователями при компенсации паразитной индуктивности преобразователя емкостью разделительного конденсатора необходимо использовать АН с Б-образной ВАХ.

4. Предложенный упрощенный метод определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН позволяет определить условия получения максимального коэффициента полезного действия с погрешностью не более 5−10%.

5. В мощном автогенераторе на АН с Ы-образной ВАХ при параллельном ЬС-контуре в качестве частотозадающего элемента наблюдается эффект значительного превышения амплитуды колебаний на сопротивлении нагрузки по сравнению с напряжением питания, компьютерное моделирование генератора подтверждает полученные результаты эксперимента.

Личный вклад автора. В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автор экспериментально исследовал все макеты, разработал топологии микросхем, произвел математическое и компьютерное моделирование автогенераторов, дефензоров, ЬСрезонаторов с распределенными параметрами, обнаружил эффект значительного превышения напряжения на нагрузке автогенератора на АН с 1М-образной ВЛХ и с параллельным ЬС-контуром по сравнению с напряжением питания, осуществил обработку, анализ и обобщение полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 60 наименований, четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 120 страниц, включая 85 рисунков.

ВЫВОДЫ.

1. Выявлено, что в генераторах с пьезопреобразователем при компенсации паразитной емкости преобразователя индуктивностью катушки необходимо использовать АН с Ы-образной ВАХ, а в генераторах с электромагнитными преобразователями при компенсации паразитной индуктивности преобразователя емкостью разделительного конденсатора необходимо использовать АН с 8-образной ВАХ.

2. Предложен упрощенный метод определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН, который позволяет определить условия получения максимального коэффициента полезного действия с погрешностью не более 5−10%.

3. Обнаружен эффект значительного превышения амплитуды колебаний на сопротивлении нагрузки по сравнению с напряжением питания в мощном автогенераторе на АН с И-образной ВАХ при параллельном ЬС-контуре в качестве частотозадающего элемента, компьютерное моделирование генератора подтверждает полученные результаты эксперимента.

4. Составлены эквивалентные схемы планарных ЬС-резонаторов с распределенными параметрами, показана возможность использования ЬС-резонаторов в мощных генераторах на АН как элементов нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложен упрощенный метод определения коэффициента ' * полезного действия мощных автогенераторов на АН, который позволяет определить условия получения максимального коэффициента полезного действия с погрешностью не более 5−10%.

2. Выявлено, что в генераторах с пьезопреобразователем при компенсации паразитной емкости преобразователя индуктивностью катушки необходимо использовать АН с Ы-образной ВАХ, а в генераторах с электромагнитными преобразователями при компенсации паразитной индуктивности преобразователя емкостью разделительного конденсатора необходимо использовать АН с Б-образной ВАХ.

3. Обнаружен эффект значительного превышения амплитуды колебаний на сопротивлении нагрузки по сравнению с напряжением питания в мощном автогенераторе на АН с Ы-образной ВАХ при параллельном ЬС-контуре в качестве частотозадающего элемента, компьютерное моделирование генератора подтверждает полученные результаты эксперимента.

4. Установлено, что схема аналога динистора является работоспособной при замене резистора нагрузки с высоким сопротивлением на два резистора малого сопротивления в цепях эмиттеров транзисторов, что позволяет увеличивать коэффициент полезного действия устройств с использованием аналога динистора.

5. Установлено, что устранить резистор нагрузки с высоким сопротивлением в схеме аналога динистора можно путем включения в схему резистора малого сопротивления и дополнительного транзистора.

6. Выявлены схемы на МДПтранзисторах, в которых не используется резистор нагрузки с большим сопротивлением.

• II1.

7. Показано, что увеличивать рабочие токи АН до единиц-десятков ампер, позволяет использование составных транзисторов в схеме АН с Ыобразной ВАХ с ответвлением тока базы основного транзистора в дополнительную цепь на ¦ токовых отражателях, рабочие частоты составных транзисторов в схеме с общей базой возрастают, а в схеме с общим эмиттером — понижаются или не изменяются.

8. Выявлено, что сформулированным требованиям к ВАХ дефензоров удовлетворяют АН построенные по принципу ответвления тока базы основного транзистора в дополнительную цепь.

9. Установлено, что термостабилизация ВАХ дефензоров возможна путем включения в схему цепочки из последовательно соединенных диода и резистора.

10. Выявлено, что дефензоры на вырожденных АН имеют низкое напряжение впадины, что позволяет расширить диапазон напряжений питания и сопротивления нагрузки.

11. Составлены эквивалентные схемы планарных ЬС-резонаторов с распределенными параметрами, показана возможность использования ЬС-резонаторов в мощных генераторах на АН как элементов нагрузки.