PL238730B1 - Moduł detektora ładunku elektrycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest moduł detektora ładunku elektrycznego, przeznaczony w szczególności do detekcji ładunków elektrostatycznych, upływności ładunku lub wyładowań niezupełnych w eksperymentach z obszaru fizyki i elektrotechniki.

W znanym z polskiego opisu patentowego PL 227 598 B1 układzie do pomiaru wolnozmiennego ładunku elektrycznego - Fig. 4 wejście układu połączone jest z bramkami tranzystorów: pierwszego i drugiego oraz z końcówkami pierwszymi: klucza i kondensatora sprzęgającego, których końcówki drugie połączone są z połączonymi wyjściami: wzmacniacza oraz układu według wynalazku. Źródło tranzystora pierwszego połączone jest z końcówkami pierwszymi: rezystora trzeciego oraz kondensatora pierwszego, których końcówki drugie połączone są z poziomem odniesienia. Źródło tranzystora drugiego połączone jest z końcówkami pierwszymi: rezystora czwartego oraz kondensatora drugiego, których końcówki drugie połączone są z poziomem odniesienia. Dren tranzystora pierwszego połączony jest z emiterem tranzystora trzeciego oraz wyjściem pierwszym źródła prądowego pierwszego, którego wyjście drugie połączone jest z dodatnim wyjściem zasilającym. Dren tranzystora drugiego połączony jest z emiterem tranzystora czwartego oraz wyjściem pierwszym źródła prądowego drugiego, którego wyjście drugie połączone jest z ujemnym wyjściem zasilającym. Baza tranzystora trzeciego połączona jest z wyjściem układu zadającego napięcie drenu tranzystora pierwszego. Baza tranzystora czwartego połączona jest z końcówką pierwszą rezystora dziesiątego, którego końcówka druga połączona jest z końcówkami pierwszymi: kondensatora szóstego, rezystora ósmego, kondensatora czwartego i rezystora szóstego. Końcówki drugie: kondensatora szóstego oraz rezystora ósmego połączone są z poziomem odniesienia. Końcówki drugie: kondensatora czwartego oraz rezystora szóstego połączone są z ujemnym wyjściem zasilającym. Kolektory tranzystorów: trzeciego oraz czwartego połączone są z wejściem wzmacniacza.

Znany układ detektora ładunku elektrycznego, mimo skomplikowanej budowy ma ograniczone zastosowanie, jego podatność, na uszkodzenia jest duża, a przy tym, nie zapewnia bezpieczeństwa użytkownikowi.

Istota modułu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku polega na tym, że wejście referencyjne połączone jest ze źródłami tranzystorów: pierwszego i drugiego, z emiterem tranzystora trzeciego, z katodą diody elektroluminescencyjnej drugiej i z wyjściem referencyjnym. Wejście zasilające niskiego napięcia połączone jest z końcówkami pierwszymi rezystorów: pierwszego i drogiego oraz z wyjściem zasilającym niskiego napięcia. Końcówka druga rezystora pierwszego połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej pierwszej, której katoda połączona jest z drenem tranzystora pierwszego, a końcówka druga rezystora drugiego połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej drugiej i z drenem tranzystora drugiego, którego bramka połączona jest z kolektorem tranzystora trzeciego. Tranzystor pierwszy jest tranzystorem typu MOSFET o bramce wzbogacanej, a tranzystor drugi jest tranzystorem typu MOSFET o bramce zubożanej, zaś tranzystor trzeci jest fototranzystorem o strukturze tranzystora bipolarnego. Korzystnie jest, gdy dioda elektroluminescencyjna pierwsza jest diodą elektroluminescencyjną, emitującą światło o innej długości fali niż dioda elektroluminescencyjna druga.

Moduł detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, dzięki zastosowaniu układu trzech tranzystorów o różnej budowie, z których jeden jest fototranzystorem, umożliwia szybką detekcję ładunków elektrycznych w szerokim zakresie napięć przy zachowaniu krótkiego czasu relaksacji. Wprowadzenie niskonapięciowego wejścia zasilającego pozwala na zasilanie układu niskim napięciem, co z kolei umożliwia zastosowanie struktur elementów półprzewodnikowych niskonapięciowych, pomimo pracy układu na wysokim napięciu referencyjnym, podawanym na wejście referencyjnego modułu. Zastosowanie separacji galwaniczno-optycznej poprzez zastosowanie diod elektroluminescencyjnych oraz fototranzystora umożliwia uzyskanie bezpieczeństwa użytkowania modułu podczas sterowania i odczytu danych.

Zastosowanie wyłącznie elementów półprzewodnikowych pozwala na miniaturyzację modułu detektora i wykonanie go bezpośrednio w postaci monolitycznej struktury półprzewodnikowej układu scalonego. Zminiaturyzowanie modułu detektora pozwala na jego wykorzystanie w systemach obrazowania rozkładu pól elektrycznych. Możliwość stosowania struktur elementów półprzewodnikowych niskonapięciowych oraz niska złożoność układowa pozwala znacząco zredukować koszt budowy pojedynczego modułu detektora oraz poprawia jego bezawaryjność.

PL 238 730 B1

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat budowy modułu detektora ładunku elektrycznego.

Wejście referencyjne WeR modułu według wynalazku połączone jest ze źródłami tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2, z emiterem tranzystora trzeciego T3, z katodą diody elektroluminescencyjnej drugiej D2 i z wyjściem referencyjnym WyR. Wejście zasilające niskiego napięcia WeZ połączone jest z końcówkami pierwszymi rezystorów: pierwszego R1 i drugiego R2 oraz z wyjściem zasilającym niskiego napięcia WyZ. Końcówka druga rezystora pierwszego R1 połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej pierwszej D1, której katoda połączona jest z drenem tranzystora pierwszego T1. Końcówka druga rezystora drugiego R2 połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej drugiej D2 i z drenem tranzystora drugiego T2, którego bramka połączona jest z kolektorem tranzystora trzeciego T3, z sondą elektrostatyczną S i z bramką tranzystora pierwszego T1. Tranzystor pierwszy T1 jest tranzystorem typu MOSFET o bramce wzbogacanej. Tranzystor drugi T2 jest tranzystorem typu MOSFET o bramce zubożanej. Tranzystor trzeci T3 jest fototranzystorem o strukturze tranzystora bipolarnego. Dioda elektroluminescencyjna pierwsza D1 jest diodą elektroluminescencyjną emitującą światło o innej długości fali niż dioda elektroluminescencyjna druga D2. Regulowane wysokie napięcie stałe podawane na wejście referencyjne WeR modułu według wynalazku, powoduje ustalenie poziomu napięcia zasilania źródeł tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2 oraz wyjścia referencyjnego WyR. Na wejście zasilające niskiego napięcia WeZ podawane jest napięcie zasilające będące sumą napięcia zasilającego wejście referencyjne WeR modułu według wynalazku i napięcia +5V. Napięcie podane na wejście zasilające niskiego napięcia WeZ poprzez połączone szeregowo rezystor pierwszy R1 i diodę elektroluminescencyjną pierwszą D1 polaryzuje dodatnio dren tranzystora pierwszego T1, a poprzez rezystor drugi R2 polaryzuje dodatnio dren tranzystora drugiego T2 i anodę diody elektroluminescencyjnej drugiej D2.

W fazie pierwszej działania modułu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, tranzystor trzeci T3 jest nieoświetlony i pozostaje w stanie wyłączenia. Potencjał sondy elektrostatycznej S jest równy potencjałowi wejścia referencyjnego WeR oraz połączonych z nim drenów tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2. Zrównany potencjał drenu tranzystora pierwszego T1 z jego bramką powoduje jego wyłączenie i brak przepływu prądu przez złącze żródło-dren tranzystora pierwszego T1 oraz przez diodę elektroluminescencyjną pierwszą D1 i rezystor pierwszy R1. Niezasilona dioda elektroluminescencyjna pierwsza D1 nie emituje promieniowania świetlnego. Zrównany potencjał drenu tranzystora drugiego T2 z jego bramką powoduje jego włączenie i przepływ prądu przez złącze źródło-dren tranzystora drugiego T2 oraz przez rezystor drugi R2. Przepływ prądu źródło-dren tranzystora drugiego T2 powoduje spadek napięcia na złączu katoda-anoda diody elektroluminescencyjnej drugiej D2. Niskie napięcie zasilania diody elektroluminescencyjnej drugiej D2 powoduje jej wyłączenie i dioda elektroluminescencyjna druga D2 nie emituje promieniowania świetlnego.

W fazie drugiej działania modułu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, tranzystor trzeci T3 jest nieoświetlony i pozostaje w stanie wyłączenia. Sonda elektrostatyczna S w wyniku oddziaływania badanego pola elektrostatycznego dodatniego polaryzuje się dodatnio względem potencjału odniesienia ustalonego na wejściu referencyjnym WeR, powodując dodatnią polaryzację bramek tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2, względem ich źródeł. Spolaryzowana dodatnio bramka tranzystora pierwszego T1 względem jego źródła powoduje włączenie tranzystora pierwszego T1 i przepływ prądu z wejścia zasilającego niskiego napięcia WeZ przez połączone szeregowo: rezystor pierwszy R1 i diodę elektroluminescencyjną pierwszą D1 oraz złącze dren-źródło tranzystora pierwszego T1 do wejścia referencyjnego WeR modułu według wynalazku. Przepływ prądu przez diodę elektroluminescencyjną pierwszą D1 powoduje jej włączenie. Włączona dioda elektroluminescencyjna pierwsza D1 emituje promieniowanie świetlne, które sygnalizuje pojawienie się dodatniego potencjału w otoczeniu sondy elektrostatycznej S i które może być rejestrowane przez zewnętrzny detektor światła. Po zarejestrowaniu pojawienia się dodatniego potencjału w otoczeniu sondy elektrostatycznej S, z zewnątrz podawany jest impuls, światła, który oświetlając tranzystor trzeci T3, powoduje jego chwilowe włączenie i przepływ prądu z bramek tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2, do ich źródeł. Przepływ prądu z bramek tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2, do ich źródeł powoduje: wyrównanie potencjałów bramek tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2 z ich źródłami oraz wyrównanie potencjału sondy elektrostatycznej S z potencjałem odniesienia ustalonego na wejściu referencyjnym WeR oraz przejście układu do fazy pierwszej działania modułu według wynalazku. Spolaryzowana dodatnio bramka tranzystora drugiego T2 względem jego źródła nie powoduje zmiany stanu włączenia tranzystora drogiego T2. Włączony tranzystor drugi T2 powoduje przepływ prądu przez złącze źródło-dren tranzystora drugiego T2

PL 238 730 B1 oraz przez rezystor drugi R2. Przepływ prądu źródło-dren tranzystora drogiego T2, powoduje spadek napięcia na złączu katoda-anoda diody elektroluminescencyjnej drugiej D2. Niskie napięcie zasilania diody elektroluminescencyjnej drugiej D2 powoduje jej wyłączenie i dioda elektroluminescencyjna druga D2 nie emituje promieniowania świetlnego.

W fazie trzeciej działania modułu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, tranzystor trzeci T3 jest nieoświetlony i pozostaje w stanie wyłączenia. Sonda elektrostatyczna S w wyniku oddziaływania badanego ujemnego pola elektrostatycznego polaryzuje się ujemnie względem potencjału odniesienia ustalonego na wejściu referencyjnym WeR, powodując ujemną polaryzację bramek tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2 względem ich źródeł: Spolaryzowana ujemnie bramka tranzystora pierwszego T1 względem jego źródła powoduje wyłączenie tranzystora pierwszego T1, brak przepływu prądu przez złącze, źródło-dren tranzystora pierwszego T1 i przez diodę elektroluminescencyjną pierwszą D1 oraz rezystor pierwszy R1. Niezasilona dioda elektroluminescencyjna pierwsza: D1 nie emituje promieniowania świetlnego. Spolaryzowana ujemnie bramka tranzystora, drugiego T2 względem jego źródła powoduje wyłączenie tranzystora drugiego T2. Wyłączony tranzystor drugi T2 powoduje brak przepływu prądu przez złącze źródło-dren tranzystora drugiego T2, a przez to wzrost napięcia na diodzie elektroluminescencyjnej drugiej D2 zasilonej w obwodzie złożonym: z wejścia zasilającego niskiego napięcia WeZ, z rezystora drugiego R2, z diody elektroluminescencyjnej drugiej D2 i z wejścia referencyjnego WeR modułu według wynalazku. Wzrost napięcia na diodzie elektroluminescencyjnej drugiej D2 powoduje jej włączenie. Włączona dioda elektroluminescencyjna druga D2 emituje promieniowanie świetlne, które sygnalizuje pojawienie się ujemnego potencjału w otoczeniu sondy elektrostatycznej S i które może być rejestrowane przez zewnętrzny detektor światła. Po zarejestrowaniu pojawienia się ujemnego potencjału w otoczeniu sondy elektrostatycznej S, z zewnątrz podawany jest impuls światła, który oświetlając tranzystor trzeci T3 powoduje jego chwilowe włączenie i przepływ prądu ze źródeł tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2 do ich bramek. Przepływ prądu ze źródeł tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2 do ich bramek powoduje wyrównanie potencjałów bramek tranzystorów: pierwszego T1 i drugiego T2 z ich źródłami oraz wyrównanie potencjału sondy elektrostatycznej S z potencjałem odniesienia ustalonego na wejściu referencyjnym WeR modułu według wynalazku, a także przejście układu do fazy pierwszej działania modułu według wynalazku.

Claims (2)

1. Moduł detektora ładunku elektrycznego, w którym sonda elektrostatyczna połączona jest z bramkami tranzystorów: pierwszego i drugiego, znamienny tym, że wejście referencyjne (WeR) połączone jest ze źródłami tranzystorów: pierwszego (T1) i drugiego (T2), z emiterem tranzystora trzeciego (T3), z katodą diody elektroluminescencyjnej drugiej (D2) i z wyjściem referencyjnym (WyR), a wejście zasilające niskiego napięcia (WeZ) połączone jest z końcówkami pierwszymi rezystorów: pierwszego (R1) i drugiego (R2) oraz z wyjściem zasilającym niskiego napięcia (WyZ), końcówka druga rezystora pierwszego (R1) połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej pierwszej (D1), której katoda połączona jest z drenem tranzystora pierwszego (T1), a końcówka druga rezystora drugiego (R2) połączona jest z anodą diody elektroluminescencyjnej drugiej (D2) i z drenem tranzystora drugiego (T2), którego bramka połączona jest z kolektorem tranzystora trzeciego (T3), przy czym tranzystor pierwszy (T1) jest tranzystorem typu MOSFET o bramce wzbogacanej, a tranzystor drugi (T2) jest tranzystorem typu MOSFET o bramce zubożanej, zaś tranzystor trzeci (T3) jest fototranzystorem o strukturze tranzystora bipolarnego.

2. Moduł detektora, według zastrz. 1, znamienny tym, że dioda elektroluminescencyjna pierwsza (D1) jest diodą elektroluminescencyjną, emitującą światło o innej długości fali niż dioda elektroluminescencyjna druga (D2).