Схема днат с конденсатором: схема подключения к сети, с конденсатором,

Содержание

схема подключения к сети, с конденсатором,

Многие люди, изучая электрику, сталкиваются с такой темой как импульсное зажигающее устройство для днат. Зачем нужно ИЗУ для ДНАТ, какие технические характеристики у ИЗУ, какая схема подключения днат 250 и другие моменты представлены далее.

Для чего необходимо

Лампы ДНАТ — старые и проверенные временем светоисточники, излучающие интенсивный свет при минимальном показателе мощности. Активно используются в уличном и тепличном освещении. Из-за недостаточной цветопередачи и сильном мерцании не применяются в освещении жилых комнат.

ИЗУ для ДНАТ

Чтобы подключить ДНАТ, нужно использовать специальное запускающее устройство ИЗУ с пускорегулирующим аппаратом и конденсатором. Первое требуется, чтобы создать импульс высокого напряжения и образовать дугу. При этом его нужно подбирать, учитывая мощность светоисточника до 400 ватт.

Повышение напряжения ДНАТ как функция ИЗУ

Технические параметры ИЗУ

Покупая импульсное зажигающее устройство, необходимо знать значение наибольшего допустимого тока, максимального частотного импульсного показателя напряжения, напряжения, функции автоматического отключения устройства и максимальной длины кабелей.

Допустимый ток не должен превышать двукратного показателя рабочего тока, максимальный частотный импульсный показатель напряжения не должен быть до 3,5 киловатт на выходе. В случае поломки устройства, импульсное зажигающее устройство должно иметь функцию автоматического отключения. Максимальная длина кабеля должна быть около 2-3 метров.

Технические характеристики

Достоинства и недостатки

Достоинства подключения импульсного зажигающего устройства к светоисточнику заключается в том, что ДНАТ функционирует на протяжении до 30 тысяч часов и качество освещения не понижается, лампа не потребляет минимум электрической энергии. Коэффициент полезного действия ламп достигает 30%.

Обратите внимание! Минусы подключения этого оборудования заключается в получающейся низкой цветовой передачи, температурном ограничении, чувствительности к электроперепадам, длительном времени включения и сильном токовой пульсации светового источника.

Простота подключения как достоинство

Как правильно подключить и проверить

Осуществить сборку комплекта для подключения светоисточника можно собственноручно.

Чтобы ответить на вопрос как подключить натриевую лампу к сети, следует указать, что для этого нужна схема с лампой, балластом, импульсным зажигающим устройством и конденсатом. Обычно схема подключения находится на дроссельном корпусе для светоисточника.

Правильное подключение к сети

Схемы подключения

На схеме находится балласт с поступающей фазой, которая проводится к импульсному зажигающему устройству и потом подсоединяется к источнику. Чтобы лампочка зажглась, необходимы перечисленные выше устройства и напряжение в 220 вольт. В другом случае, запуск источника невозможен.

Схема изу подключения с конденсатором

Двухточечное ИЗУ

Зажигающие устройства, имеющие два вывода, подключаются параллельно прибору освещения. Это значит, что после дроссельной установки заряженный проводник необходимо присоединить к клемме импульсного зажигающего устройства, а другой проводник поднести к жиле, имеющей отрицательный заряд. При этом нулевой кабель можно взять от патронного элемента.

Специалисты не советуют использовать зарядники на несколько контактов, чтобы подключать световые источники, поскольку они могут навредить индуктивному балласту. Поскольку при запуске увеличивается напряжение, поступающее не только на светоисточник, но и на пускорегулирующий аппарат. Как правило, две контактные импульсные зажигающие устройства используют для нескольких ламп малой мощности до двух киловольт.

Двухточечное ИЗУ

Трехточечное ИЗУ

Комплект для подсоединения ДНАТ лампочки возможно собрать в щитке с корпусом светильника. До проведения работ необходимо осуществить проверку изоляции балласта с конденсатором. Для этого осуществить переключение мультиметра на показатель максимального сопротивления. Это нужно для личной безопасности.

Для ламп, имеющих мощность в 400 ватт необходим двухфазный автоматический выключатель. Он нужен, чтобы подавать и отключать электрическое питание, защищать детали. Ставить его нужно до основных работ. Помимо этого, необходимо заземление его корпуса.

Этапы подключения импульсного зажигающего устройства с тремя выводами к натриевой лампе выглядят следующим образом:

  1. Проводник, имеющий отрицательный заряд из щитка подключить к светоисточнику, а второй элемент — к однотипному зажиму на зажигающем устройстве.

Обратите внимание! Ставить узел только в разрывную часть фазы, которая проходит к источнику, а не к нулю. В противном случае, будет замыкание и возгорание дросселя.

  1. Разомкнуть фазу и присоединить к дросселю. Жилу, которая выходит из контакта, нужно соединить к клемме В на пускорегулирующем аппарате.
  2. Средний проводник подключить к патрону светового источника.

Конденсаторный аппарат будет подключаться параллельно всей электроцепи. Для этого кабель нужно подвести к фазному проводнику, а второй — к нулевому.

Трехточечное ИЗУ

Какие бывают ошибки при подключении

При подключении может быть некорректно установлен балласт на четыре контакта. Чтобы не допустить эту ошибку, нужно пользоваться схемой подключения днат 400 с конденсатором.

Неправильное подключение четырехконтактного дросселя

Могут появиться трещины на корпусе устройства в результате установки источника голыми руками. Чтобы этого избежать, следует протереть чистой салфеткой лампу до запуска.

Также может быть применен дроссель от дугового ртутного люминофорного источника при использовании балласта другого типа. Тогда лампа будет негодной для использования. Чтобы этого не происходило, нужно подбирать дроссель, отталкиваясь от типа лампы. Для этого помогут технические параметры.

Технические характеристики ламп днат

В целом, ИЗУ — устройство, нацеленное на повышение напряжения до нескольких киловольт для образования дуги. Оборудование имеет двухконтактное и трехконтактное исполнение. ИЗУ вырабатывает импульсы высокого напряжения для эффективной работы натриевой лампы высокого давления.

Схема Подключения Днат - tokzamer.ru

Недавно они появились на рынке и очень многообещающие, но в настоящее время активное использование ограничено высокой стоимостью ламп.


Эта разновидность представляет собой аналог ДНаС, который на сегодняшний день уже снят с производства. Посему, параллельное подключение используют для запуска ламп натриевых низкого давления или металлогалогенных ламп, рассчитанных на работу с ртутным балластом и не требующих высоковольтных пусковых импульсов.


По спектру хорошо подходят для выращивания плодоносящих растений.
ЭмПРА Galad и подключение лампы ДНаТ

Кстати, если кому интересно, можно заглянуть в музей ламп сайт на английском, но с кучей картинок — здесь собрано бесчисленное количество различных ламп, в т. Специалисты выделяют такие характеристики и особенности натриевых ламп типа ДНаТ: Коэффициент цветопередачи устройств очень низкий, поэтому они излучают едко-желтый свет, искажают цвета.

ИЗУ — это тиристорный генератор непрерывных импульсов. С двухконтактным ИЗУ Зажигающие устройства с двумя выводами подключают параллельно осветительному прибору.

Хотя тут стоит оговориться, что в действительности вариантов подключения лампы ДНаТ огромное множество. Маломощные источники света излучают полный световой поток через 5 минут, а приборы большей мощности — спустя 10 минут.

Согласно власти, Балласт может быть очень горячим — от 80 до градусов.

Поэтому для предотвращения этого используются специальные прокладки.

ДНаТ лампа с конденсатором и без.

ДНАТ подключение. Схема

Для подключения трех проводов в одной точке ни одна лампочка, из IZU и из гнезда целесообразно использовать треугольную соединительную полоску. Тип ИЗУ.

Компоненты существуют как отечественного, так и зарубежного Израиль, Германия производства.

Не настолько энергоэффективна. Схема включения ДРЛ представлена на рисунке ниже.

Для этого создан балласт электронный или электромагнитный.

Без этого натриевая лампа просто откажется запускаться. Он ограничивает только поток дуги.

Дроссель служит для ограничения тока дуги и его мощность должна быть такой же, как и у используемой лампы. Задумываясь над реализацией схемы подключения ДНаТ, стоит учесть, что менять натриевые лампы рекомендуется спустя 4 месяца или полгода.

Если же на работающую лампу попадут капли любой жидкости, это неизбежно спровоцирует взрыв. Рекомендуемые товары.
Подключение натриевые лампы ДНаТ

Собираем комплект ДнаТ

Суть в том, что, используя конденсатор с компенсацией фазы, вы можете уменьшить нагрузку на внутренние электрические линии и круг вашего осветительного устройства, особенно.

Включение в схему конденсатора Газоразрядные дуговые натриевые лампы — это потребители реактивной мощности. Просто выбрасывать натриевые лампы нельзя. Свечение ламп ДНаТ не вызывает усталость глаз у водителей, что очень важно, поскольку от этого зависит условия движения всех автомобилей.

К примеру, если применяется лампа ДНаТ , то, соответственно, мощность дросселя тоже должна быть не меньше и не больше Ватт.

Он часто используется в качестве дополнения к основному свету или как основное освещение для выращивания рассады. Пары расположены на противоположных концах колбы и подключены к разным полюсам питающей линии.

Игорь — 08 Feb Вообще-то лампа будет хорошо работать при любом подключении фазы и ноля к ее цоколю. Для этого один кабель подводят к фазе автомата, а второй к нулю. Вы можете прочитать об электронных балластах зарубежных производств в другой статье, здесь мы обсудим устройство и процедуру самосборки электромагнитных балластных устройств.


Устанавливать натриевые источники света в домашних светильниках или на рабочих объектах не стоит, так как они плохо влияют на зрение, искажают цвет. Металлический штенгель, через который эвакуируется газ из прибора. Люминофор сдвигает его спектр в область ослепительно белого света, что вполне приемлемо для уличного освещения. В связи с этим желательно чтобы схема подключения включала специальный конденсатор, который позволит подавить помехи и снизить силу пускового тока. Он часто используется в качестве дополнения к основному свету или как основное освещение для выращивания рассады.

В то время как выращивание растений в гидропоновом доме, вы неизбежно столкнетесь с необходимостью создания искусственного освещения для ваших зеленых плантаций. Мощность газа должна соответствовать мощности лампы.

Да, да, не стоит делать такие глаза. Схема включения ДРЛ представлена на рисунке ниже.
#003 ЗАЧЕМ ДНАТу КОНДЕНСАТОР?

Принцип работы

Конструктивные особенности ДНаТ лампы и принцип работы Устройство лампы ДНаТ Принцип работы натриевой газоразрядной лампочки базируется на химических свойствах паров натрия, которые при определенных условиях способны излучать яркий монохроматический яркий свет.

В зависимости от характеристик используемых дросселей емкость конденсатора должна быть соответствующей: ДНаТ 3 А — 35 мкФ. В интернете можно найти много информации по этому поводу.

Это было что-то вроде брендирования. Самые популярные и активно используемые лампы на настоящий момент.

Устройства высокого давления не так сильно искажают цветопередачу, как ДНаТ низкого давления. Затем фазу нужно разомкнуть, один кабель из щитка присоединить к дросселю. Вы можете прочитать об электронных балластах зарубежных производств в другой статье, здесь мы обсудим устройство и процедуру самосборки электромагнитных балластных устройств. Лампа ДНаТ имеет разрядную трубку с диаметром 7,5 мм и длиной 80 мм.

Статья по теме: Пример сметы на электромонтажные

Монтируем провод от лампы к ПРА к левой части клеммника с надписью «лампа». Либо светоотдача ламп может существенно снизиться. Помимо этого, устройство может быть двухконтактного или трехконтактного исполнения. Да, да, не стоит делать такие глаза.

Но его наличие дает определенные преимущества, так как позволяет снизить нагрузку на бытовую электросеть. Мощность дросселя должна соответствовать мощности лампы. И тут Вы правы. Особенности установки и подключения Несмотря на то, что натриевые лампы отличаются широкой сферой применения, они преимущественно используются в организации уличного освещения.

Терминология

Особенно, когда речь заходит о промышленном их применении. Оно должно находиться как можно ближе к цоколю продукта, при этом длина соединительных проводов в этой зоне должна быть минимальной допустимо-максимальная величина составляет 1.

Например, источники света 70 — Вт применяют в теплицах для растений, цветниках. К примеру, если применяется лампа ДНаТ , то, соответственно, мощность дросселя тоже должна быть не меньше и не больше Ватт. Но об этом позже. В помещении, где работают лампы необходимо наличие качественной вентиляции.
Обзор по сборке »ДНАТ-400w» .

Подключение натриевых ламп, схемы подключения

Автор Светозар Тюменский На чтение 2 мин. Просмотров 4.7k. Опубликовано Обновлено

Подключение натриевых ламп. Для подключения любых газоразрядных ламп необходим балласт. Не являются исключением, в этом смысле и натриевые лампы; для «разогрева» ламп при включении и нормальной их работы обязательно потребуется балласт. Балласт для натриевых ламп – это ПРА (пускорегулирующий аппарат) или ЭПРА (электронный ПРА) и ИЗУ (импульсное зажигающее устройство).

Наиболее распространенными ПРА для натриевых ламп являются балластные индуктивные дроссели, необходимые для стабилизации и ограничения тока. ИЗУ необходимо, как написано выше для «разогрева» – зажигания лампы. При включении натриевой лампы это устройство, представляющее собой небольшой блок, подает на ее электроды мощный импульс высокого напряжения, обеспечивающий пробой в газовой смеси колбы.

Cхемы подключения. Хотя, натриевые лампы сегодня получили довольно широкое применение в самых разных отраслях хозяйства, из-за недостаточной передачи цветового спектра, чаще всего используются в качестве уличного освещения.

Это «уличные» лампы, приходящие на смену ДРЛ, для которых выпускаются консольные светильники марки ЖКУ. Необходимый балласт, скоммутированный нужным образом с лампой в них уже имеется, поэтому, при использовании таких светильников, подключение сводится к лишь подаче питающего напряжения на клеммы светильника.

Чтобы самостоятельно собрать схему подключения натриевых ламп, потребуется, как написано выше балласт – дроссель и ИЗУ. Двухобмотчные дроссели, на сегодняшний день считаются устаревшими, поэтому, при выборе предпочтение стоит отдать однообмоточным.

Производителями ИЗУ выпускаются устройства с двумя и тремя выводами, поэтому, схема подключения может несколько отличаться – она, собственно, бывает изображена практически на каждом корпусе ИЗУ.

 

Натриевые лампы – потребители реактивной мощности, поэтому, в некоторых случаях, есть смысл при отсутствии фазокомпенсации в схему включить помехоподавляющий конденсатор С, существенно снижающий пусковой ток (см. фото выше).

Для дросселя ДНаТ-250 (3А) оптимальная емкость конденсатора –  35 мкф, для ДНаТ-400 (4.4А) – 45 мкф. Использовать следует конденсаторы сухого типа, с номинальное напряжением от 250 В. В этом случае схема подключения будет иметь следующий вид:

При самостоятельном подключении ламп, стоит учесть рекомендацию не допускать превышение длины проводов, соединяющих балласт с лампой более одного метра.

Напоследок, по поводу балласта. Несомненно, лучшими ПРА по праву считаются электронные, имеющие ряд преимуществ перед индуктивными ПРА, проигрывая, однако, последним по цене; их стоимость, в настоящее время достаточно высока.

Как подключить лампу ДНАТ (натриевая лампа)


схема подключения, принцип работы. Пускорегулирующий аппарат для натриевых ламп — Стройка Волка

Содержание статьи:

Многие садоводы зачастую используют искусственное освещение в целях выращивания рассады в домашних условиях. Но как сделать это как можно качественнее? Ведь для полноценного развития растений им нужен определенный спектр освещения. К тому же хочется обойтись минимальными материальными затратами. Для этого стоит обратить внимание на светильники с лампами ДНаТ (схема подключения будет рассмотрена в данной статье). Но помимо бытовой сферы применения такие источники освещения хороши в использовании и прочих областях, включая разного рода промышленность.

Расшифровка аббревиатуры

Вам будет интересно:Монтаж и принцип работы паровой установки

Тема данной статьи будет посвящена рассмотрению особенностей этих ламп. Но прежде расшифруем саму аббревиатуру «ДНаТ». Что следует понимать под этим сочетанием букв? Собственно ДНаТ – это дуговой натриевый трубчатый источник освещения (естественно искусственный). И если сравнивать с другими аналогами, то данная разновидность отличается более высоким КПД. А он максимально приближен к 30%.

Выше уже был поднят вопрос касательно бюджетного варианта – так вот в целях экономии стоит приобретать лампы высокого давления. Излучаемый ими свет позволяет различать цвета практически на всем диапазоне, за исключением коротковолнового спектра. Но, собственно, как работают эти лампы? Об этом как раз далее.

Принцип работы

С расшифровкой аббревиатуры лампы ДНаТ мы уже ознакомились, теперь пора разобраться в принципе ее работы. Все основывается на дуговых разрядах, которые образуются в так называемой «горелке». Это разрядная трубка цилиндрической формы, которая изготовлена из чистой окиси алюминия. Она помещена в стеклянный и прозрачный баллон. На его конце располагается резьбовой цоколь типа Е-27 или Е-40.

Внутренняя полость горелки заполнена смесью паров ртути и натрия с небольшим включением зажигающего газа ксенона. Как и любая другая газоразрядная лампа, тип ДНаТ требует для подключения импульсное запускающее устройство (ИЗУ) и балласт (дроссель).

Если вкратце, то работу натриевой лампы можно представить следующим образом: после ее включения ИЗУ подает электрические импульсы высокого напряжения (порядка нескольких киловольт). В результате действия этих импульсов возникает дуга. Необходимость дросселя в схеме подключения ДНаТ заключается в стабилизации напряжения и поддержании его в нужном режиме для полноценной работы лампы.

Особенности натриевых ламп типа ДНаТ

Вам будет интересно:Марки шуруповертов: характеристики, обзор, фото и отзывы

Стоит заметить, что сразу после включения натриевых ламп, они горят тускло и слабо, поскольку основные ресурсы тратятся на разогрев горелки. Лишь спустя 5-10 минут световой поток обретает необходимые параметры яркости, силы и насыщенности. В этот момент температура внутри горелки достигает необходимого значения.

Помимо ламп ДНаТ с отдельным подключением ИЗУ, в продаже есть разновидности, где это устройство уже является частью конструкции. И в этом случае они маркируются уже немного иначе – ДНаС. Как правило, таким производством занимаются такие компании, как Osram и Philips.

В то же время существуют и другие особенности, о которых желательно знать каждому.

Специфическое излучение

Это самая главная отличительная черта ламп типа ДНаТ – у них довольно специфическое свечение желто-оранжевого оттенка. И поскольку внутри горелки находится натрий, то их излучение принимает монохромный характер с высокой степенью пульсации.

Из-за этого нарушается цветопередача. По этой причине схема подключения светильника с ДНаТ лампами не находит применения в жилых зданиях, включая офисные, производственные и учебные помещения.

Светоотдача

Среди многих других типов с наихудшими показателями по качеству светового потока лампы ДНаТ выгодно отличаются от них в отношении уровня светоотдачи. Данный показатель достигает значения до 100 лм/Вт. В то же время это свойственно только новым источникам освещения. К концу срока службы это показатель значительно понижается – чуть ли не в два раза!

Качество свечения, включая и продолжительность работы ламп, во многом зависит от условий их эксплуатации. По заверениям производителей срок службы может составить до 10000 часов. Однако это достигается при соблюдении определенного температурного режима в период эксплуатации ламп – от -30 до +40 градусов. Причем с использованием ИЗУ высокого качества исполнения.

Цикличность не подходит

В силу конструктивных особенностей натриевых ламп (имеется в виду система зажигания) схема подключения ДНаТ не подходит для систем освещения с частыми циклами включения и выключения.

Вам будет интересно:Как устроен унитаз? Виды и конструкции унитазов

Перед следующим «запуском» им нужен продолжительный «отдых» – порядка 3-6 часов, не менее. В особенности это относится к продукции отечественного производства.

Показатели мощности

Что касается этого параметра, то он варьируется в диапазоне от 75 Ватт до 1 и более киловатт. Стоит только учитывать, что в процессе работы лампы могут сильно нагреваться. В связи с этим, для области растениеводства следует выбирать номинальную мощность от 75 до 400 Ватт. Более сильные лампы могут просто сжечь нежную листву тепличных растений.

В силу опять-таки сильного нагрева таким источникам света нужны специальные светильники. Они будут служить надежной защитой от загрязнения и прямого попадания влаги, а с другой стороны способствуют подаче нужного количества воздуха для охлаждения.

Область применения

Как в самом начале статьи было помечено, натриевые лампы находят широкое применение помимо бытового назначения. В силу высокой эффективности и хорошей выгоды их можно использовать практически в любой сфере человеческой деятельности. Зачастую такие лампы ставятся на светильники уличного освещения в различных общественных местах:

  • улицы с пешеходными переходами;
  • скверы и парки;
  • автодороги;
  • строительные площадки;
  • аэропорты;
  • тоннели.

Свечение ламп ДНаТ не вызывает усталость глаз у водителей, что очень важно, поскольку от этого зависит условия движения всех автомобилей. Усталость и вождение – понятия несовместимые друг с другом.

Ко всему прочему использование этих источников света способствует улучшению видимости при плохой погоде. За счет мощного светового потока устраняется негативные последствия тумана, все освещаемые объекты обладают повышенной контрастностью.

Натриевые лампы высокого давления (они же и есть ДНаТ) актуальны для светильников уличного освещения, а также помещений большой площади – спортивные залы, производственные и торговые комплексы.

Большинство тепличных хозяйств стало использовать такие источники света для дополнительного освещения. И в связи с этим, производители стали выпускать лампы ДНаТ, имеющие специальный спектр излучения, который необходим растениям для правильного их развития.

Особенности установки и подключения

Несмотря на то, что натриевые лампы отличаются широкой сферой применения, они преимущественно используются в организации уличного освещения. Обусловлено это недостаточной передачей спектра цвета. При этом нет особой разницы, в каком именно положении будут находиться светильники. В то же время, как показывает многолетняя практика, наиболее эффективное их положение – горизонтальное. В этом случае основной световой поток излучается в разные стороны.

Для правильного подключения ламп, как мы теперь знаем, не обойтись без помощи стороннего «оборудования». Речь идет о балласте или по-другому – дросселе для ДНаТ, а также импульсном запускающем устройстве (ИЗУ). Без этого натриевая лампа просто откажется запускаться. О них было уже упомянуто, теперь же пора познакомиться с ними поближе.

Пускорегулирующее устройство

По сути, это связка двух основных устройств – балласта (дросселя) и ИЗУ. Вне всякого сомнения, электронные ПРА являются самыми лучшими в своем роде в отличие от индуктивных устройств. Однако и проигрывают им в плане стоимости – они у них довольно высока. По этой причине балластные индуктивные дроссели обладают, куда большим распространением. В некоторых лампах они уже включены в устройство. То есть остается подать напряжение на клеммы.

В настоящее время двухобмотчные дроссели уже устарели и в связи с этим, стоит обращать внимание на однообмоточные типы. При этом балласт должен быть предназначен именно для источников света типа ДНаТ и обладать такой же мощностью, что и сами источники света.

При этом в схеме подключения лампы ДНаТ через дроссель должен присутствовать оригинальный (то есть «родной») балласт. В противном случае никто не может гарантировать полноценную работу, включая их срок службы. Либо светоотдача ламп может существенно снизиться.

Также нельзя исключать и прочие ситуации. К примеру, эффект «мигания» – когда лампа может погаснуть сразу же после нагрева, а после ее остывания весь процесс повторяется снова.

Импульсный зажигающий «аппарат»

Это то самое устройство, с помощью которого производится запуск натриевой лампы. Разными производителями выпускаются ИЗУ как с двумя, так и тремя выводами. В силу этого отличаются и схемы подключения газоразрядных ламп. Как правило, она уже изображена на корпусах ИЗУ. Из отечественных устройств стоит присмотреться к УИЗУ – оно подойдет для ламп разной мощности и может сочетаться со всеми типами балластов.

Вам будет интересно:Регулировка регулятора давления воды: виды приборов, назначение и рекомендации по эксплуатации

ПРА для ДНаТ (УИЗУ) можно располагать в непосредственной близости балласта и около самой лампы, подключив к ее контактам. При этом полярность особой роли не играет. Однако красный «горячий» провод рекомендуется соединять с балластом.

Включение в схему конденсатора

Газоразрядные дуговые натриевые лампы – это потребители реактивной мощности. По этой причине иногда (в отсутствии фазокомпенсации) имеет смысл включить в схему подключения ДНаТ помехоподавляющий конденсатор. Его наличие позволит снизить пусковой ток и избежать неприятных ситуаций.

В зависимости от характеристик используемых дросселей емкость конденсатора должна быть соответствующей:

  • ДНаТ-250 (3 А) – 35 мкФ.
  • ДНаТ-400 (4.4 А) – 45 мкФ.

При этом следует отдавать предпочтение конденсаторам сухого типа, которые способны работать с номинальным напряжением 250 В.

Что касается соединения конденсатора в схеме подключения ДНаТ 400 с ИЗУ, то его следует выполнять толстым многожильным проводом с большим сечением. Сам кабель также должен выдерживать нагрузку довольно не слабого тока. Следует использовать надежную пайку, или клеммную колодку, а винты при этом следует затягивать с умеренной силой, чтобы не повредить последнюю.

Схема подключения

Как мы теперь знаем, схема подключения натриевых ламп главным образом зависит от количества выводов ИЗУ (2 или 3). Дроссель, как можно судить из схемы (в теле статьи ее можно встретить), включается в питающую сеть последовательно, в то время как ИЗУ – параллельно.

Иными словами, фаза сначала поступает на электромагнитный балласт, потом направляется к ИЗУ и только потом на лампу. Само зажигающее устройство может иметь и ноль в случае с тремя выводами.

Стоит еще раз напомнить о том, что мощность балласта должна в полной мере соответствовать этому же показателю лампы. Особенно это касается использования ЭПРА для ламп. Также в схеме может быть и конденсатор в целях снижения реактивной мощности (об этом выше уже было описано).

Подключение натриевых ламп требует определенных знаний и умений. Особенно, когда речь заходит о промышленном их применении. Если работа выполняется самостоятельно, необходимо учитывать важный момент – длина проводов, которые соединяют балласт с лампой, не должна превышать 1-1,5 м.

Меры предосторожности

Если подключение ламп типа ДНаТ выполняется самостоятельно, необходимо убедиться в том, что она соблюдена в точности. Рисунок есть на корпусе балласта или ИЗУ, но в его отсутствии стоит проконсультироваться со специалистом или продавцом. Последствия неправильного подключения просто катастрофические:

  • выход из строя одного из элементов схемы;
  • выбивание пробок;
  • взрыв лампы;
  • пожар.

Из-за жира или прочих загрязнений источник света может лопнуть в силу неравномерного нагрева сразу после входа в рабочий режим. По этой причине к колбе нельзя прикасаться голыми руками, лучше работать в перчатках. После установки лампы в патрон следует протереть ее спиртом. Это позволит убрать загрязнения.

Если же на работающую лампу попадут капли любой жидкости, это неизбежно спровоцирует взрыв. Вероятность – 100 %! Также стоит так установить светильник, чтобы он не упал во время эксплуатации. А через каждые 30 дней необходимо стирать с него пыль.

Задумываясь над реализацией схемы подключения ДНаТ, стоит учесть, что менять натриевые лампы рекомендуется спустя 4 месяца или полгода. При дальнейшем же их использовании заметно падает светоотдача.

Источник

Конденсатор для ламп днат | Домострой

Вольт-амперные характеристики ламп

Марка/мощностьРабочий ток АПусковой ток maxёмкость конденсатора
ЛБ 150,310,49
ЛБ 200,370,6
ЛБ 300,340,5
ЛБ 400,440,65
ЛБ 650,670,95
ЛБ 800,87130
ДРЛ 1251,152,410 мкф
ДРЛ 2502,154,520 мкф
ДРЛ 4004,257,1535 мкф
ДРЛ 7005,4512,050 мкф
ДРЛ 10007,516,590 мкф
ДНаТ 701,01,610 мкф
ДНаТ 1001,22,015–20 мкф
ДНаТ 1501,82,920–25 мкф >
ДНаТ 2503,14,532–40 мкф
ДНаТ 4004,67,845-50 мкф
ДНаТ 10008,212,5150-160 мкф

Простейший пример вычисления пускового тока — Лампа 60 Вт 220 В имеет рабочий ток 60/220=0,27 А. Сопротивление холодной лампы 60 Ом, т.е. пусковой ток 220/60=3,67 А. Соотношение 13,6 раза.
Для дроссельных ламп при использовании входного конденсатора (параллельно сети) происходит компенсация емкостью индуктивности дросселя и ток, потребляемый комплектом лампа-дроссель снижается почти в 2 раза.
Пусковые токи у электрооборудования обычно выше, чем номинальные. Во-вторых, на многих приборах указывается среднее значение мощности. Поэтому следует обращать внимание на максимальную силу тока.

Максимальная рекомендуемая нагрузка у электроприбора в 10 А (контактное включение) суммарно возможно подключить:

лампы накаливания, 2 кВт
лампы люминисцентные без компенсации, 200 Вт
лампы люминисцентные с компенсацией, 300 Вт
лампы галогеновые низкого напряжения, 500 Вт
лампы линейные галогеновые, 1000 Вт
лампы энергосберегающие, 200 Вт
лампа ДРЛ 1000 с компенсацией — 1 шт.
лампа ДНаТ 1000 с компенсацией — 1 шт.

Светодиодные общей мощностью не более — 200-400 Вт. в зависимости от потребляемого тока.

Газоразрядная дуговая натриевая лампа ДНаТ используется для освещения больших площадей, улиц городов, теплиц.

Не стоит путать натриевые лампы низкого и высокого давления. У них разная конструкция и принцип действия.

В спектре свечения у обоих преобладает оранжевый свет. У изделий низкого давления, излучение практически монохромное, они светят ярким золотистым светом.

Если их применять для освещения в комнатах, то цвета будут практически не различимы.

В лампах высокого давления спектр более разнообразный.

В тех моделях, которые используются в теплицах для выращивания растений, в световой спектр специально добавлено немного синего света.

В комплект для подключения лампы высокого давления входит несколько компонентов, без которых вы ее попросту не запустите. То есть, элементарно подав на нее 220 вольт, она у вас не загорится.

Для этого нужно специальное устройство – дроссель или балласт, который в свою очередь подключается по определенной схеме.

Схема эта зачастую изображена непосредственно на корпусе.

Вот ее более развернутый рисунок.

На ней нарисованы:

    сам дроссель (баласт), на который подается фаза
    далее эта фаза поступает на импульсно зажигающее устройство – ИЗУ

Через него можно подключать экземпляры разной мощности, от 70 до 400Вт.

ИЗУ создает стартовый импульс для пробоя содержимого горелки в колбе и образования дуги. Напряжение при этом достигает нескольких тысяч вольт!

А сама горелка в процессе работы разогревается до 1300 градусов.

Только после ИЗУ, подключается сама газоразрядная лампа.

Эта же схема подключения может быть изображена на стенках зажигающего устройства.

Кроме того, в комплекте для подключения рекомендуется применять конденсатор. Хотя он присутствует далеко не во всех схемах.

Для чего он необходим? Как известно, цепи с использованием дросселей питания, потребляют как активную, так и реактивную мощность. От второй, никакого полезного эффекта вы не получите.

Лампа от этого ярче светить не станет, а вот потери увеличатся. Именно для того, чтобы убрать эту реактивную составляющую и используют фазокомпенсирующий конденсатор.

Наглядное сравнение тока потребления светильника ДНаТ с конденсатором и без него:

Как видите, более чем двойная разница. В первом случае показан компенсированный ток (активный), а во втором случае полный (без конденсатора в цепи).

Некоторые думают, что тем самым они еще и уменьшают потребление эл.энергии, однако это не совсем так.

Счетчик у вас не рассчитан на подсчет реактивной или полной энергии, и фактическая экономия по затратам может составить максимум 3-4%.

Зато вы уберете лишние потери на нагрев проводов и железа.

Вот собранный своими руками компактный щиток, согласно схемы подключения.

Можно конечно все это собрать и в габаритном корпусе светильника, если позволяют размеры.

Очень важно, перед тем как самому собирать такую схему и использовать какие-либо компоненты, обычным мультиметром в режиме замера максимального сопротивления, проверить изоляцию дросселя и конденсатора.

Нет ли пробоя на корпус.

Для подачи и отключения питания 220В используйте двухполюсный вводной автомат.

Для одного светильника мощность до 400Вт вполне сгодится автомат номиналом 5-6А. Кроме коммутационных операций вкл-выкл, он еще будет играть роль защитного аппарата.

Монтируется автоматический выключатель в самом начале схемы. Не забудьте также заземлить корпус всего щитка.

С автомата выходят два нулевых провода. Один из них согласно схемы, пускаете напрямую к лампе, а второй подключаете к соответствующему зажиму, подписанному "N" на пусковом устройстве.

Иначе можно случайно сжечь изделие, если при работе нулевой провод после балластного дросселя, случайно коротнет.

А провод с выходящего контакта подключаете на клемму “В” (Balast) пускорегулирующего изделия.

После чего, средний вывод Lp (Lampa) пускаете на патрон лампочки.

Заметьте, есть ИЗУ двухконтактные и трехконтактные. Первые подключаются параллельно самой лампе.

Конденсаторы — устройства для накапливания и передачи другим элементам электрической цепи электрического тока. Используются в качестве фильтра пульсации напряжения и скачков переменного тока. Применение конденсатора значительно продлевает срок службы электроприборов.

Конденсатор 25 мкф

Конденсатор 25 мкф — средство накопления электроэнергии в электрических цепях. Конденсатор применяется в электрических цепях, предназначенных для розжига ламп ДНаТ с целью экономии электроэнергии (до 20%)

Емкость конденсатора 25 мкф, предназначен для использования с лампой ДНаТ 250 Вт.

ВНИМАНИЕ: Товар на картинке может иметь визуальные отличия от оригинала.

Конденсатор 60 мкф

Конденсатор 60 мкф — средство накопления электроэнергии в электрических цепях. Конденсатор применяется в электрических цепях, предназначенных для розжига ламп ДНаТ с целью экономии электроэнергии (до 20%)

Емкость конденсатора 60 мкф, предназначен для использования с лампой ДНаТ 600 Вт.

ВНИМАНИЕ: Товар на картинке может иметь визуальные отличия от оригинала.

Конденсатор 45 мкф

Конденсатор 45 мкф — средство накопления электроэнергии в электрических цепях. Конденсатор применяется в электрических цепях, предназначенных для розжига ламп ДНаТ с целью экономии электроэнергии (до 20%)

Емкость конденсатора 45 мкф, предназначен для использования с лампой ДНаТ 400 Вт.

ВНИМАНИЕ: Товар на картинке может иметь визуальные отличия от оригинала.

Конденсатор 32 мкф

Конденсатор 32 мкф — средство накопления электроэнергии в электрических цепях. Конденсатор применяется в электрических цепях, предназначенных для розжига ламп ДНаТ с целью экономии электроэнергии (до 20%)

Емкость конденсатора 32 мкф, предназначен для использования с лампой ДНаТ 250 Вт.

ВНИМАНИЕ: Товар на картинке может иметь визуальные отличия от оригинала.

Конденсатор 50 мкф

Конденсатор 50 мкф — средство накопления электроэнергии в электрических цепях. Конденсатор применяется в электрических цепях, предназначенных для розжига ламп ДНаТ с целью экономии электроэнергии (до 20%)

Емкость конденсатора 50 мкф, предназначен для использования с лампой ДНаТ 1000 Вт при параллельном подключении двух конденсаторов.

ВНИМАНИЕ: Товар на картинке может иметь визуальные отличия от оригинала.

Как проверить дроссель днат

Газоразрядная дуговая натриевая лампа ДНаТ используется для освещения больших площадей, улиц городов, теплиц.

Не стоит путать натриевые лампы низкого и высокого давления. У них разная конструкция и принцип действия.

В спектре свечения у обоих преобладает оранжевый свет. У изделий низкого давления, излучение практически монохромное, они светят ярким золотистым светом.

Если их применять для освещения в комнатах, то цвета будут практически не различимы.

В лампах высокого давления спектр более разнообразный.

В тех моделях, которые используются в теплицах для выращивания растений, в световой спектр специально добавлено немного синего света.

В комплект для подключения лампы высокого давления входит несколько компонентов, без которых вы ее попросту не запустите. То есть, элементарно подав на нее 220 вольт, она у вас не загорится.

Для этого нужно специальное устройство – дроссель или балласт, который в свою очередь подключается по определенной схеме.

Схема эта зачастую изображена непосредственно на корпусе.

Вот ее более развернутый рисунок.

На ней нарисованы:

    сам дроссель (баласт), на который подается фаза
    далее эта фаза поступает на импульсно зажигающее устройство – ИЗУ

Через него можно подключать экземпляры разной мощности, от 70 до 400Вт.

ИЗУ создает стартовый импульс для пробоя содержимого горелки в колбе и образования дуги. Напряжение при этом достигает нескольких тысяч вольт!

А сама горелка в процессе работы разогревается до 1300 градусов.

Только после ИЗУ, подключается сама газоразрядная лампа.

Эта же схема подключения может быть изображена на стенках зажигающего устройства.

Кроме того, в комплекте для подключения рекомендуется применять конденсатор. Хотя он присутствует далеко не во всех схемах.

Для чего он необходим? Как известно, цепи с использованием дросселей питания, потребляют как активную, так и реактивную мощность. От второй, никакого полезного эффекта вы не получите.

Лампа от этого ярче светить не станет, а вот потери увеличатся. Именно для того, чтобы убрать эту реактивную составляющую и используют фазокомпенсирующий конденсатор.

Наглядное сравнение тока потребления светильника ДНаТ с конденсатором и без него:

Как видите, более чем двойная разница. В первом случае показан компенсированный ток (активный), а во втором случае полный (без конденсатора в цепи).

Некоторые думают, что тем самым они еще и уменьшают потребление эл.энергии, однако это не совсем так.

Счетчик у вас не рассчитан на подсчет реактивной или полной энергии, и фактическая экономия по затратам может составить максимум 3-4%.

Зато вы уберете лишние потери на нагрев проводов и железа.

Вот собранный своими руками компактный щиток, согласно схемы подключения.

Можно конечно все это собрать и в габаритном корпусе светильника, если позволяют размеры.

Очень важно, перед тем как самому собирать такую схему и использовать какие-либо компоненты, обычным мультиметром в режиме замера максимального сопротивления, проверить изоляцию дросселя и конденсатора.

Нет ли пробоя на корпус.

Для подачи и отключения питания 220В используйте двухполюсный вводной автомат.

Для одного светильника мощность до 400Вт вполне сгодится автомат номиналом 5-6А. Кроме коммутационных операций вкл-выкл, он еще будет играть роль защитного аппарата.

Монтируется автоматический выключатель в самом начале схемы. Не забудьте также заземлить корпус всего щитка.

С автомата выходят два нулевых провода. Один из них согласно схемы, пускаете напрямую к лампе, а второй подключаете к соответствующему зажиму, подписанному "N" на пусковом устройстве.

Иначе можно случайно сжечь изделие, если при работе нулевой провод после балластного дросселя, случайно коротнет.

А провод с выходящего контакта подключаете на клемму “В” (Balast) пускорегулирующего изделия.

После чего, средний вывод Lp (Lampa) пускаете на патрон лампочки.

Заметьте, есть ИЗУ двухконтактные и трехконтактные. Первые подключаются параллельно самой лампе.

Лампы дневного света, несмотря на популяризацию светодиодного освещения, до сих пор остаются одним из распространенных видов осветительных приборов в домах, гаражах и производственных помещениях.

Когда такой светильник перестает гореть, первым делом грешат на саму лампочку или стартер. А если они не виноваты, как проверить другой не менее важный элемент – дроссель?

Во-первых, определимся, что же такое дроссель или как его еще называют балласт. По сути, это обыкновенная катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником.

Вот так она выглядит в разрезе.

В схемах балласт нужен для трех функций:

    контроля тока, чтобы он не превышал номинала
    образование за счет индуктивности кратковременного импульса повышенного напряжения
    сглаживания возможных пульсаций в сети 220В

Подключается он последовательно, а параллельно ему монтируется стартер.

Стартер необходим для поджига лампы.

Напряжение, которое подводится к спиральным электродам на концах лампы, изначально недостаточно для ее розжига. И тут на помощь приходит дроссель и стартер.

После появления напряжения в стартере, внутри образуется разряд, который нагревает биметаллический электрод.

Из-за нагрева форма электрода меняется и происходит его замыкание.

В результате чего, резко возрастает ток и электроды раскаляются. Ток ограничивается только сопротивлением самого дросселя.

У стартера контакты постепенно остывают и размыкаются. При размыкании, благодаря дросселю, в лампе возникает эффект самоиндукции, с образованием высоковольтного импульса и электрического разряда напряжением до 1000В.

От этого разряда создается ультрафиолетовое свечение ртутных паров, которыми заполнена колба. Оно оказывает воздействие на люминофор, и только благодаря ему, мы и можем различать свет в привычном для нас спектре.

Если для кого-то это объяснение слишком заумно, то вот одно из самых простых и понятных видео, объясняющих на доступном всем языке, как же работает лампа ЛДС.

Получается, что сам процесс включения люминесцентной лампы дневного света довольно длителен и занимает 5 этапов:

    подача 220В из розетки и замыкание контактов стартера
    разогрев спиралей электродов
    размыкание контактов стартера
    подача высоковольтного импульса от дросселя
    образование тлеющего разряда в колбе и поддержка его внешним напряжением 220В + шунтирование стартера и исключение его из схемы

Как видно из процесса запуска, при неисправности ламп, виноватыми могут быть три элемента:

    сама лампочка
    стартер
    дроссель

При этом, чаще всего повреждаются лампочки и стартера – из-за перегоревших вольфрамовых нитей и конденсаторов.

Узнать об этом проще всего – заменив стартер или лампочку. Тем более, что стоят они копейки. А вот как быстро узнать о неисправности дросселя?

Без специальных измерительных приборов о неисправности ПРА может свидетельствовать эффект огненной змейки. Вы визуально сможете наблюдать ее внутри лампы.

О чем это говорит? А говорит это в первую очередь о том, что есть превышение максимально допустимого тока. Из-за чего заряд потерял стабильность.

Также может наблюдаться неустойчивое свечение или мерцание лампы. При поломке балласта, светильник не загорится с первого раза.

В результате, стартер будет постоянно запускаться и отключаться, запускаться и отключаться. От таких частых пусков, возле спиралей на концах лампы появляются почернения.

Еще один способ проверки без измерительных приборов и мультиметра – контрольная лампочка. Мощность ее должна быть примерно такой же, как и мощность самого дросселя.

Подключаете ее последовательно по следующей схеме с ПРА и смотрите как она светит.

    если не горит совсем – в балласте обрыв, дроссель неисправен
    горит ярко – в балласте межвитковое короткое замыкание
    моргает или светит в половину накала – дроссель исправен

Но чтобы точно убедиться в повреждении дросселя, все таки лучше воспользоваться мультиметром и провести замеры.

Повреждение дросселя может быть пяти видов:

    замыкание разных обмоток
    замыкание витков в одной обмотке
    неисправность магнитопровода
    пробой на корпус

Какой-то из проводов, которым намотан дроссель может просто оборваться. Выявляется это легко.

Переводите мультиметр в режим измерения сопротивления и касаетесь щупами выводов дросселя. Если высвечиваются показания ”бесконечность” это и свидетельствует об обрыве.

При замерах только не касайтесь голых кончиков щупов руками. Иначе замерите сопротивление своего тела, а не дросселя.

Кстати, обрыв из всех видов поломок, выявить проще всего. Это можно сделать даже без мультиметра, с помощью обычной индикаторной отвертки.

Ничего выключать и разбирать не нужно, провода тоже не отсоединяются. Если индикатор светится во входной клемме ПРА:

а на выходе свечения нет:

то считайте что обрыв вы нашли.

Некоторые дросселя могут иметь не одну, а две обмотки. В нормальном режиме они должны быть изолированы между собой.

Но изоляция может высохнуть или нарушиться.

Чтобы узнать о замыкании, мультиметром проверьте выводы не одной, а разных обмоток. Если у вас высветятся непонятно малые цифры, то значит обмотки замкнуты.

Если дроссель у вас постоянно грелся, то его лакированная изоляция проводов, могла высохнуть. И один или несколько близлежащих витков, просто спекутся между собой.

Найти такое повреждение очень трудно, даже при помощи мультиметра.

Нужно точно знать изначальные значения сопротивления обмотки, чтобы было с чем сравнивать. Если у вас замкнулись один или два витка, то разницу обычным тестером вы и не увидите.

Найти витковое замыкание можно при спекании достаточно большого количества проводников. Тогда разницу будет видно сразу.

Нормальный (не китайский дроссель), имеет примерно следующие сопротивления:

    мощностью на 20Вт – сопротивление от 55 до 60 Ом
    мощностью на 40Вт – сопротивление от 24 до 30 Ом
    мощностью на 80Вт – сопротивление от 15 до 20 Ом

Сердечник дросселя выполнен из ферромагнитных материалов. А они (ферриты), довольно капризны сами по себе.

При эксплуатации, на поверхности запросто могут образоваться трещинки или сколы. Если такое произошло, значит у дросселя изменятся параметры катушек индуктивности.

Еще в сердечниках из-за механических нагрузок могут измениться специальные зазоры.

Проверить индуктивность дросселя можно не всеми мультиметрами. Большинство к сожалению, такой функции лишены.

Однако опять же, чтобы понять проблему, вам нужно знать первоначальные значения данной индуктивности.

О неисправности катушки может свидетельствовать ее нулевое сопротивление относительно корпуса. Здесь ничего сложного в проверке нет.

Один щуп мультиметра подносите к металлическим частям корпуса, а другим касаетесь к выводам катушки дросселя.

Проверять можно и в режиме прозвонки цепи. Если звукового сигнала не будет, значит пробоя нет.

А если балласт у вас электронный, как проверить его? ЭПРА как сокращенно их называют, уже не похож на индуктивную катушку.

Все современные модели выпускаются с электронными дросселями без стартеров.

ЭПРА расшифровывается как – электронная пуско-регулирующая аппаратура.
У нее множество электронных компонентов напаяны на плату и помещены в один корпус.

Прозвонить мультиметром всего лишь два конца здесь уже не получится. Придется последовательно шаг за шагом проверять все элементы схемы.

Начинать лучше с предохранителя. Вызваниваете его целостность в режиме прозвонки.

Далее осматриваете конденсаторы. У тех, которые в виде бочонков, можно определить повреждение даже визуально, по вздутию нижней части.

Еще внимательно проглядите все места пайки. Какие-то ножки могут отвалиться и контакт пропадет.

Диоды и транзисторы также проверяются мультиметром, после переключения его в соответствующий режим измерения.

Данные сопротивлений берите из таблиц в интернете, согласно их расцветки.

И сравнивайте с теми фактическими замерами, которые у вас получились.

В общем, чтобы проверить и отремонтировать электронный дроссель, понадобятся минимальные навыки радиолюбителя.

Вот очень хорошее и подробное видео по проверке каждого элемента на плате ЭПРА, с заменой поврежденных деталей на исправные. Тем более, что повреждений здесь оказалось не одно, а несколько.

Лампы дневного света, несмотря на популяризацию светодиодного освещения, до сих пор остаются одним из распространенных видов осветительных приборов в домах, гаражах и производственных помещениях.

Когда такой светильник перестает гореть, первым делом грешат на саму лампочку или стартер. А если они не виноваты, как проверить другой не менее важный элемент – дроссель?

Во-первых, определимся, что же такое дроссель или как его еще называют балласт. По сути, это обыкновенная катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником.

Вот так она выглядит в разрезе.

В схемах балласт нужен для трех функций:

    контроля тока, чтобы он не превышал номинала
    образование за счет индуктивности кратковременного импульса повышенного напряжения
    сглаживания возможных пульсаций в сети 220В

Подключается он последовательно, а параллельно ему монтируется стартер.

Стартер необходим для поджига лампы.

Напряжение, которое подводится к спиральным электродам на концах лампы, изначально недостаточно для ее розжига. И тут на помощь приходит дроссель и стартер.

После появления напряжения в стартере, внутри образуется разряд, который нагревает биметаллический электрод.

Из-за нагрева форма электрода меняется и происходит его замыкание.

В результате чего, резко возрастает ток и электроды раскаляются. Ток ограничивается только сопротивлением самого дросселя.

У стартера контакты постепенно остывают и размыкаются. При размыкании, благодаря дросселю, в лампе возникает эффект самоиндукции, с образованием высоковольтного импульса и электрического разряда напряжением до 1000В.

От этого разряда создается ультрафиолетовое свечение ртутных паров, которыми заполнена колба. Оно оказывает воздействие на люминофор, и только благодаря ему, мы и можем различать свет в привычном для нас спектре.

Если для кого-то это объяснение слишком заумно, то вот одно из самых простых и понятных видео, объясняющих на доступном всем языке, как же работает лампа ЛДС.

Получается, что сам процесс включения люминесцентной лампы дневного света довольно длителен и занимает 5 этапов:

    подача 220В из розетки и замыкание контактов стартера
    разогрев спиралей электродов
    размыкание контактов стартера
    подача высоковольтного импульса от дросселя
    образование тлеющего разряда в колбе и поддержка его внешним напряжением 220В + шунтирование стартера и исключение его из схемы

Как видно из процесса запуска, при неисправности ламп, виноватыми могут быть три элемента:

    сама лампочка
    стартер
    дроссель

При этом, чаще всего повреждаются лампочки и стартера – из-за перегоревших вольфрамовых нитей и конденсаторов.

Узнать об этом проще всего – заменив стартер или лампочку. Тем более, что стоят они копейки. А вот как быстро узнать о неисправности дросселя?

Без специальных измерительных приборов о неисправности ПРА может свидетельствовать эффект огненной змейки. Вы визуально сможете наблюдать ее внутри лампы.

О чем это говорит? А говорит это в первую очередь о том, что есть превышение максимально допустимого тока. Из-за чего заряд потерял стабильность.

Также может наблюдаться неустойчивое свечение или мерцание лампы. При поломке балласта, светильник не загорится с первого раза.

В результате, стартер будет постоянно запускаться и отключаться, запускаться и отключаться. От таких частых пусков, возле спиралей на концах лампы появляются почернения.

Еще один способ проверки без измерительных приборов и мультиметра – контрольная лампочка. Мощность ее должна быть примерно такой же, как и мощность самого дросселя.

Подключаете ее последовательно по следующей схеме с ПРА и смотрите как она светит.

    если не горит совсем – в балласте обрыв, дроссель неисправен
    горит ярко – в балласте межвитковое короткое замыкание
    моргает или светит в половину накала – дроссель исправен

Но чтобы точно убедиться в повреждении дросселя, все таки лучше воспользоваться мультиметром и провести замеры.

Повреждение дросселя может быть пяти видов:

    замыкание разных обмоток
    замыкание витков в одной обмотке
    неисправность магнитопровода
    пробой на корпус

Какой-то из проводов, которым намотан дроссель может просто оборваться. Выявляется это легко.

Переводите мультиметр в режим измерения сопротивления и касаетесь щупами выводов дросселя. Если высвечиваются показания ”бесконечность” это и свидетельствует об обрыве.

При замерах только не касайтесь голых кончиков щупов руками. Иначе замерите сопротивление своего тела, а не дросселя.

Кстати, обрыв из всех видов поломок, выявить проще всего. Это можно сделать даже без мультиметра, с помощью обычной индикаторной отвертки.

Ничего выключать и разбирать не нужно, провода тоже не отсоединяются. Если индикатор светится во входной клемме ПРА:

а на выходе свечения нет:

то считайте что обрыв вы нашли.

Некоторые дросселя могут иметь не одну, а две обмотки. В нормальном режиме они должны быть изолированы между собой.

Но изоляция может высохнуть или нарушиться.

Чтобы узнать о замыкании, мультиметром проверьте выводы не одной, а разных обмоток. Если у вас высветятся непонятно малые цифры, то значит обмотки замкнуты.

Если дроссель у вас постоянно грелся, то его лакированная изоляция проводов, могла высохнуть. И один или несколько близлежащих витков, просто спекутся между собой.

Найти такое повреждение очень трудно, даже при помощи мультиметра.

Нужно точно знать изначальные значения сопротивления обмотки, чтобы было с чем сравнивать. Если у вас замкнулись один или два витка, то разницу обычным тестером вы и не увидите.

Найти витковое замыкание можно при спекании достаточно большого количества проводников. Тогда разницу будет видно сразу.

Нормальный (не китайский дроссель), имеет примерно следующие сопротивления:

    мощностью на 20Вт – сопротивление от 55 до 60 Ом
    мощностью на 40Вт – сопротивление от 24 до 30 Ом
    мощностью на 80Вт – сопротивление от 15 до 20 Ом

Сердечник дросселя выполнен из ферромагнитных материалов. А они (ферриты), довольно капризны сами по себе.

При эксплуатации, на поверхности запросто могут образоваться трещинки или сколы. Если такое произошло, значит у дросселя изменятся параметры катушек индуктивности.

Еще в сердечниках из-за механических нагрузок могут измениться специальные зазоры.

Проверить индуктивность дросселя можно не всеми мультиметрами. Большинство к сожалению, такой функции лишены.

Однако опять же, чтобы понять проблему, вам нужно знать первоначальные значения данной индуктивности.

О неисправности катушки может свидетельствовать ее нулевое сопротивление относительно корпуса. Здесь ничего сложного в проверке нет.

Один щуп мультиметра подносите к металлическим частям корпуса, а другим касаетесь к выводам катушки дросселя.

Проверять можно и в режиме прозвонки цепи. Если звукового сигнала не будет, значит пробоя нет.

А если балласт у вас электронный, как проверить его? ЭПРА как сокращенно их называют, уже не похож на индуктивную катушку.

Все современные модели выпускаются с электронными дросселями без стартеров.

ЭПРА расшифровывается как – электронная пуско-регулирующая аппаратура.
У нее множество электронных компонентов напаяны на плату и помещены в один корпус.

Прозвонить мультиметром всего лишь два конца здесь уже не получится. Придется последовательно шаг за шагом проверять все элементы схемы.

Начинать лучше с предохранителя. Вызваниваете его целостность в режиме прозвонки.

Далее осматриваете конденсаторы. У тех, которые в виде бочонков, можно определить повреждение даже визуально, по вздутию нижней части.

Еще внимательно проглядите все места пайки. Какие-то ножки могут отвалиться и контакт пропадет.

Диоды и транзисторы также проверяются мультиметром, после переключения его в соответствующий режим измерения.

Данные сопротивлений берите из таблиц в интернете, согласно их расцветки.

И сравнивайте с теми фактическими замерами, которые у вас получились.

В общем, чтобы проверить и отремонтировать электронный дроссель, понадобятся минимальные навыки радиолюбителя.

Вот очень хорошее и подробное видео по проверке каждого элемента на плате ЭПРА, с заменой поврежденных деталей на исправные. Тем более, что повреждений здесь оказалось не одно, а несколько.

Схема подключения лампы днат 250


Как подключить лампу ДНаТ?

В наше время появилось довольно много различных дуговых ламп высокого давления. Но наиболее высоким коэффициентом полезного действия среди них отличается ДНаТ, т. е. дуговая натриевая трубчатая лампа. Ее устройство практически схоже с ДРЛ – дуговой ртутной, только свечение намного ярче, она более экономична и долговечна. Мощность ДНаТ может составлять от 30 Вт до 1 кВт в зависимости от того, в какой сфере она будет использована.

Что же касается срока ее службы, то он составляет около 25 тыс. часов – мало какой из световых приборов может таким похвастаться. Но о преимуществах позже. Сейчас имеет смысл рассмотреть схему питания подобной газоразрядной лампы. Ведь хотя подобный источник света в чем-то схож по устройству с ДРЛ, все же в подключении его есть свои особенности.

Принцип и схема подключения

Помимо индуктивного дросселя, ограничивающего силу тока дуги, в схему ПРА или ЭПРА (электронного пускорегулирующего аппарата) включено ИЗУ – импульсное зажигающее устройство. Именно оно отвечает за создание импульсов, имеющих напряжение в несколько тыс. вольт.

Если обратить внимание на схемы подключения натриевой лампы, то можно заметить, что есть два варианта того, как подключить лампу ДНаТ. Во втором случае приборы освещения подключаются через 3-контактное импульсное зажигающее устройство, хотя большой роли это не играет. А вот в первой схеме показано включение ДНаТ с конденсатором. Делается это для того, чтобы сгладить напряжение, поступающее на ДНаТ, и тем самым увеличить ее срок службы. Подключение ДНаТ-светильников к дросселю необходимо осуществлять последовательно, а ИЗУ с осветительным прибором должны быть параллельно соединенными. При этом именно фаза, а не ноль идет на лампочку через индуктивный дроссель.

К тому же номинальная мощность ПРА (или ЭПРА), подключенного к осветительному прибору, должна совпадать с тем же параметром натриевой лампы.

Очень важен при монтаже схемы следующий момент. Не стоит игнорировать помеченные контакты. Если на него должен подключаться ноль – не нужно бросать туда фазу, и наоборот. Конечно, лампа зажжется, но срок службы как лампы, так и пускорегулирующего аппарата от этого значительно снизится.

Плюсы и минусы ламп ДНаТ

Подобные натриевые лампы имеют несколько основных преимуществ:

  • Очень высок коэффициент полезного действия.
  • Световой поток от подобного осветительного прибора достаточно стабилен.
  • Сила этого потока высока и составляет около 150 люмен/ватт.
  • Долговечность в полтора раза больше, чем у других подобных ей ламп.
  • Температура цвета оптимальна, свечение приятного золотистого оттенка.
  • Прекрасно работает даже в туман или снегопад.

Внешний вид лампы ДНаТ

  • Практически идеальна в качестве фитолампы, т. к. излучение от ДНаТ активно помогает росту растений.
  • Эти световые приборы хорошо показывают себя в работе при разнице температур от -60 до +40 градусов Цельсия.

Но, естественно, ни один прибор не обходится без недостатков – идеальных изделий не бывает. Основных минусов 5:

  • Эти лампы крайне взрывоопасны.
  • Внутри присутствуют тяжелые металлы.
  • Требуется продолжительное время на розжиг (порой до 10 мин).
  • При использовании в качестве фитолампы она не подойдет для выращивания редиса, лука и салата, т. к. они являются нецветущими.
  • При необходимости подключить ДНаТ большей мощности (к примеру, ДНаТ 250 или ДНаТ 400) необходимо дополнительное охлаждение осветительного прибора.

Принцип работы

Строение, как уже упоминалось, очень похоже на ДРЛ наличием стеклянной колбы, внутри которой расположена трубка или горелка. Только вот стекло для изготовления трубки в ДНаТ использовать не получится (как в ДРЛ) по причине очень высокой температуры горения натрия. Для этого используется специальный материал – поликристаллическая окись алюминия. Только такой материал позволит пропускать 90% свечения и при этом будет устойчив к парам натрия.

Для изготовления электродов используют молибден. Световая отдача таких ламп увеличивается при помощи ксенона или ртути, ну а для облегчения запуска в натриевом осветительном приборе присутствует аргон.

Внутри колбы создан вакуум для поддержания ее целостности, т. к. при работе дуговая натриевая трубчатая лампа разогревается до 1 400 градусов Цельсия. Естественно, при работе лампы сложно предотвратить попадание воздуха через отверстия, но на этот случай предусмотрены специальные прокладки.

После подачи высоковольтного импульсного тока посредством ИЗУ в ДНаТ образуется электрическая дуга, разогревающая трубку. Происходит это в течение 6–9 минут, после чего натриевая лампа разгорается в полную силу. Так что принципы работы ДНаТ и ДРЛ практически совершенно одинаковы.

Некоторые неисправности

Как и любые газоразрядные лампы, натриевые со временем могут начать мигать. К примеру, световой прибор, разогревшись, вдруг гаснет, периодически повторяя это действие. Необходимо произвести замену лампы, а если это не поможет – есть смысл замерить напряжение в сети. Вполне возможно, что оно слишком низкое, и его не хватает на поддержание нормального горения натрия.

Бывает, что подобное происходит нечасто – тогда возможен плохой контакт или скачок напряжения. Ну а еще одна из возможных причин – это межвитковое замыкание. Лечится такое только заменой дросселя. При условии, что лампа новая и пускорегулирующий аппарат в порядке, необходимо просто подождать, пока ДНаТ разработается. Обычно на это уходит 2–3 часа.

Если слышен треск импульсного зажигающего устройства, а осветительный прибор не зажигается вовсе – причина, скорее всего, в обрыве провода с лампы на ИЗУ, либо ДНаТ и ЭПРА.

Имеет смысл осмотреть и соединения пускорегулирующего аппарата для натриевых ламп – такое происходит при их подгорании, а потому следует зачистить контакты, проверить проводку и снова попробовать ее зажечь.

Подведем итог

Дуговая натриевая трубчатая лампа уникальна в своем роде. Конечно, у нее есть недостатки, и главный – искажение цвета. И даже это поправимо, достаточно просто поднять светильник выше. Но все же минимальный расход электроэнергии, яркость и теплота свечения вкупе с ее долговечностью выводят ее в лидеры среди подобных осветительных приборов.

Конечно, кто-то может посетовать на сложное подключение и дороговизну, но это все окупается. Да и сложностей особых в монтаже схемы подключения лампы ДНаТ не наблюдается, подключить натриевую лампу сможет даже человек с малейшими навыками в электромонтаже.

Ну а для уличного освещения подобный осветительный прибор явно вне конкуренции, если, конечно, не принимать во внимание светодиодные фонари.

Схема подключения лампы ДНАТ

Для зажигания газоразрядных ламп, в том числе и натриевых, потребуется специализированное оборудование ПРА (пускорегулирующая аппаратура), ведь непосредственное подключение ламп ДНАТ в сеть исключено.

Пускорегулирующая аппаратура для натриевых ламп (ДНАТ) включает в себя:

  1. ИЗУ (импульсное зажигающее устройство), обеспечивающее запуск газоразрядной лампы. В момент ее включения, ИЗУ пропускает мощные импульсы высокого напряжения на электроды, благодаря чему происходит пробой в газовой смеси колбы и зажигание дуги. После этого выдача ВВ импульсов прекращается, впрочем, как и влияние импульсного зажигающего устройства на работу лампы;
  2. Дроссель. Хотя электронные пускорегулирующие аппараты считаются более продуктивными, их стоимость значительно дороже импульсных. Поэтому самым распространенным и востребованным для подключения лампы ДНАТ является именно индуктивный дроссель. Электрический дроссель представлен в виде небольшого блока, который должен отвечать потребляемой мощности лампы. Он ограничивает и стабилизирует подачу тока, оказывает сильное противодействие всяким его изменениям, поддерживает убывающий ток и препятствует его нарастанию, тем самым обеспечивая длительные эксплуатационные свойства лампы и высокие показатели светоотдачи.

Таким образом, балласт обеспечивает стандартный разогрев и эффективную работу натриевых ламп на весь период заявленного производителями срока.

ДНАТ подключение. Схема

Возможны разные методы соединения газоразрядных ламп, в данном случае ДНАТ: производители ИЗУ могут предложить конструкцию с двумя и даже тремя контактами, с параллельным, последовательным и даже полупараллельным типом, что значительно меняет схему ДНАТ подключения. Она изображается почти на всех устройствах такого типа, что исключает ошибочность монтажа.

Схема подключения лампы ДНАТ с трех контактным ИЗУ

Схема подключения лампы ДНАТ, что изображена на первом рисунке, рассчитана на наличие в ней компенсирующего конденсатора, подключающегося параллельно источнику питания. Это конденсатор сухого типа С, который предназначен для компенсации индуктивной составляющей системы – уменьшения потребляемой реактивной мощности, снижения общего потребления электроэнергии, а также для продления эксплуатационного срока готового продукта.

К примеру, чтобы выполнить подключение лампы ДНАТ мощностью 250 Вт (3А) предусмотрена емкость компенсирующего конденсатора (показатели рабочего напряжения - 250В) всего 35 мкФ. Эта емкость может быть сформирована с помощью нескольких параллельно соединенных между собой конденсаторов.

Иногда показатели емкости могут быть предусмотрены заводом-изготовителем, но крайне большое увеличение может привести к возникновению резонанса в цепи, а, следовательно – к неэффективной работе готового изделия.

Если ДНАТ подключение происходит самостоятельно, следует учесть допустимое значение расположения ИЗУ. Оно должно находиться как можно ближе к цоколю продукта, при этом длина соединительных проводов в этой зоне должна быть минимальной (допустимо-максимальная величина составляет 1.5м).

Чтобы обеспечить качественное и безопасное подключение применяют высоковольтные провода зажигания специального назначения.

Особенности подключения и использования натриевых ламп

Среди всех ламп для искусственного освещения растений больше всего подойдет натриевая лампа, которая пользуется большой популярностью.

Такой источник света обладает высокой эффективностью, и является самым экономным и долговечным. Мощность ламп может составлять от 30 до 1000 Вт, в зависимости от сферы использования. Что касается срока эксплуатации, то ресурс ламп рассчитан на 25000 часов работы. Для большинства теплиц это выгодный вариант в плане экономии, так как освещать растения необходимо довольно длительное время, особенно зимой.

Отечественная продукция

Большим спросом на рынке пользуются российские лампы Рефлакс, которые оснащаются встроенным отражателем. За счет этого свет направлен прямо на растения. Отражатель ламп Рефлакс обладает высоким КПД равным 95%, который сохраняется в течение всего периода эксплуатации. Что характерно, одна лампа Рефлакс, мощностью 70 Ватт, подвешенная на высоту полметра, способна осветить территорию площадью около 1,6 м2. А так как использование других источников света подразумевает большие затраты на электроэнергию, то использование ламп Рефлакс более рационально. Что касается габаритов, то Рефлакс имеет размеры 76×200 мм. Благодаря этому лампы Рефлакс лучше всего подходят владельцам теплиц.

Преимущества и недостатки натриевых ламп

Натриевая лампа имеет существенные преимущества: • Высокий КПД. • Стабильный поток света. • Высокая световая отдача примерно 160 лм/Вт. • Долго срок службы, который в 1,5 раза превышает период эксплуатации прочих подобных ламп. • Лампы имеют приятное золотисто-белое излучение. • Эффективная работа в условиях тумана. За счет того, что дуговая лампа рефлакс 250 излучает красный спектр – это идеальный источник света для цветения растений, в том числе и плодоносящих. А наличие синего спектра свечения способствует их активному росту и развитию. Вдобавок лампы могут работать в широком диапазоне температуры – от -60 до +40 градусов. Наряду с достоинствами, имеются и некоторые недостатки. Главный из них заключается в сложности подключения. Обычный способ здесь не подходит, и здесь существуют свои особенности. Среди других минусов можно выделить следующие: • Взрывоопасность. • Наличие ртути в устройстве лампы. • Долгое время включения, которое может составлять до 10 минут. • Не подходит при выращивании нецветущих либо зеленых овощных культур (редис, лук, салат).

Кроме того, если необходимо использовать натриевые лампы высокого давления мощностью 250 Ватт или более, необходимо позаботится об охлаждении, так как лампы сильно нагреваются. Хотя для теплиц большого размера этот недостаток может обернуться преимуществом, обеспечив растения дополнительным нагревом.

Подключение к сети ламп ДНаТ и ДРЛ

Первыми электрическими источниками света, появившимися в конце XIX века, были газоразрядные лампы. Дуга в них горела на открытом воздухе, в котором присутствует кислород. Поэтому время их работы было небольшим, всего несколько часов, а свечение неустойчивым.

Однако идея эта оказалась очень продуктивной, ведь КПД газоразрядных ламп в пять-шесть раз выше, чем ламп накаливания. Поэтому в середине прошлого века, после достижения необходимого технологического уровня, сначала появились газоразрядные лампы низкого давления, а потом и высокого.

Средой распространения электрического разряда в них является инертный газ, обычно аргон. А для увеличения ее электрической проницаемости к нему добавляют соли металлов – ртути или натрия.

Дуговые лампы высокого давления

Повышение давления среды, в которой распространяется электрический заряд и возникает светящаяся дуга, позволяет получить более интенсивный световой поток, затратив на это меньшую энергию. Для примера: светоотдача натриевых ламп низкого давления не превышает 100 люмен на ватт, а у ламп высокого давления это значение более 200 люмен на ватт. Поэтому их используют для наружного освещения или в помещениях большой площади – теплицах, ангарах, производственных цехах.

Принципиальное устройство ртутных и натриевых дуговых ламп высокого давления имеет много схожих черт, но есть и различия, из-за которых схема подключения натриевой лампы иная, чем у ртутной. И они не взаимозаменяемы. Отличить эти осветительные приборы друг от друга можно как по обозначению, так и внешне. ДРЛ – дуговая ртутная лампа, ДНаТ – дуговая натриевая трубчатая. А внешние отличия станут вам понятны из разбора их устройства. Итак, они состоят из следующих элементов:

  • Газовой горелки.
  • Набора электродов.
  • Внешней колбы.
  • Цоколя.
Газовая горелка

В обоих случаях она выполняется в виде трубки из жаропрочного кварцевого стекла. Но у ДРЛ ее размеры больше, чем у ДНаТ. Из-за высокой химической активности натрия в состав стекла горелки вводят алюминиевые квасцы – Al2O3. Внутрь горелки закачан инертный газ – аргон – под давлением 100-150 кПа. А также находится ртуть или натриевая амальгама (сплав Na и Hg).

Набор электродов

У ламп ДРЛ их четыре: два основных и два поджигающих. Пары расположены на противоположных концах колбы и подключены к разным полюсам питающей линии. А у ДНаТ электродов только два. Это и обуславливает различия в способе запуска и построении схемы подключения ламп.

У ртутных источников света дуга загорается от малой искры, возникающей между противоположными по знаку электродами. А натриевым требуется поджигающий импульс. Причем у ДРЛ первых выпусков (до середины 60-х годов прошлого века) было два электрода и применялся такой же принцип включения, но впоследствии от него отказались.

Внешняя колба

Это основной визуальный отличительный признак ламп. Внутри колбы вакуум, который обеспечивает химическую и термическую устойчивость стекла горелки. Но у ДРЛ она белого или матового цвета, а колба ДНаТ прозрачная.

На внутреннюю поверхность колбы ртутной лампы нанесен слой люминофора. Дело в том, что горение паров ртути вызывает мертвенно-зеленое или синее свечение, чрезвычайно искажающего восприятие действительности глазом человека. Люминофор сдвигает его спектр в область ослепительно белого света, что вполне приемлемо для уличного освещения.

Натриевые лампы светят красным или ярко-оранжевым цветом. Лучи света этой частоты практически не преломляются водяной взвесью, которая может висеть в воздухе (снег, туман, моросящие осадки, брызги), поэтому его используют для освещения автострад. Необходимость в спектральном сдвиге отсутствует, поэтому колба прозрачная.

Цоколь

У обеих ламп для подключения к питающей лини используется так называемый резьбовой цоколь Эдисона, обозначаемый буквой Е. Поскольку мощность дуговых ламп высокого давления обычно превышает 250 Вт, применяются модели Е40, диаметром 400 мм. По этой же причине рекомендуется использовать керамические патроны, способные выдерживать сильный нагрев.

Схемы подключения

Набор элементов для запуска газоразрядных ламп высокого давления называется пускорегулирующей аппаратурой (ПРА). В последнее время появились ее электронные аналоги (ЭПРА), в которых все детали установлены в одном корпусе. Они обеспечивают более оптимальный режим работы ламп, но имеют абсолютно тот же принцип действия. Поэтому для лучшего понимания рассмотрим все элементы по отдельности.

Схема включения ДРЛ представлена на рисунке ниже.

Ее основным элементом является балластный дроссель. Это катушка индуктивности на ферромагнитном сердечнике, обычно имеющем форму тора. Ее задачей является гашение пускового тока, который в первые секунды после включения близок к току короткого замыкания, ведь расстояние между основным и вспомогательными электродами не более миллиметра.

Действие дросселя основано на эффекте возникновения магнитного потока в сердечнике, направление которого противоположно току, его породившего. Катушка индуктивности должна быть рассчитана на ту же мощность, что и лампа. Конденсатор необходим для того, чтобы сглаживать пульсации тока, возникающие при горении дуги. В принципе, он является необязательным элементом.

Если у вас нет заводского дросселя, ДРЛ можно зажечь, включив последовательно с ней лампу накаливания той же или большей мощности. Как вариант – автотрансформатор, с помощью которого можно обеспечить плавный запуск устройства. Обычно горение дуги стабилизируется через 10-12 минут после включения.

Схема включения ДНаТ сложнее. В ней вы видите дополнительный элемент – ИЗУ (Импульсное Запускающее Устройство).

ИЗУ – это тиристорный генератор непрерывных импульсов. Одна из его схем представлена на рисунке ниже. Она рассчитана на двухточечное подключение.

Однако существует и трехточечный вариант.

Дуговые лампы высокого давления имеют очень большую энергетическую эффективность, особенно ДНаТ. По ней и по количеству часов непрерывной работы они практически не уступают светодиодным лампам. При этом их надежность зачастую выше. Поэтому эти источники света еще рано списывать в разряд технических раритетов.

Емкостная нейронная сеть с нейротранзисторами

Временное суммирование сигналов динамических псевдо-мемоконденсаторов

Идеальный мемконденсатор 36,42,43 , если бы он существовал, имел бы емкость, зависящую от истории смещения, как у мемристора с сопротивление определяется прошлыми входами 44,45 . Были предложены различные реализации переключающих конденсаторов 46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56 . Например, электрохимические конденсаторы 56 , зависимая от смещения поляризация 46,48 и эффект нанобатареи 39,57 - все они могут иметь потенциал для реализации мем-емкостных систем.Мы разработали уникальный динамический псевдо-мемконденсатор (ДПМ), объединив мемристорные и конденсаторные структуры, как показано на рис. 1а. Диффузионный мемристор Pt / Ag / SiO x : Ag / Ag / Pt расположен поверх конденсатора Pt / Ta 2 O 5 / TaO x / Pt, который также может работать как односелекторный -одна мемристорная ячейка после гальванопластики нижнего конденсатора для использования в качестве энергонезависимого мемристора при высоком напряжении 58 , обеспечивая эту структуру многоразового использования. Поскольку Ta 2 O 5 является диэлектриком с высоким κ, емкость последовательного конденсатора C S намного больше, чем собственная параллельная емкость C P диффузионного мемристора, что дает летучие униполярное емкостное переключение аналогично мемконденсатору (для простоты на рисунках используется символ схемы мемконденсатора).Петли гистерезиса логарифма заряда в зависимости от напряжения были построены для обеих полярностей смещения (см. Рис. 1b и дополнительный рисунок 1) с переходом от состояния емкости C P к C S , происходящего над кажущимся порог напряжения. Приложенное электрическое поле переключало диффузионный мемристор 41 после задержки в его низкое сопротивление или состояние «включено», тем самым замыкая его внутреннюю параллельную емкость. В результате общая емкость интегрированного устройства, на которой изначально доминировал C P , переключилась на C S (дополнительную информацию об импедансе диффузионного мемристора и DPM см. На дополнительном рисунке 1).Физическое происхождение переключения порога диффузионного мемристора было исследовано и объяснено его врожденной электротермической динамикой и динамикой миграции ионов 37,41,59 . Энергонезависимый мемристор может заменить диффузионный мемристор в структуре, показанной на рис. 1а, чтобы сформировать энергонезависимый псевдо-мем-конденсатор (НПМ), который служит синапсом полностью емкостной нейронной сети, обсуждаемой позже. По сравнению с мемристорами DPM отличается низким энергопотреблением. Поскольку DPM хранят энергию в электростатическом поле, а не преобразуют электричество в тепло, емкостные сети на основе DPM работают с низким энергопотреблением по сравнению с сетями, построенными на других новых устройствах (например.g., мемристоры) и свободны от проблемы утечки по незаметному пути. Электростатическая энергия пропорциональна емкости элементов. Также следует отметить, что зарядка DPM или емкостных элементов забирает энергию у источников сигнала, в то время как разрядка DPM или емкостных элементов возвращает электростатическую энергию обратно источникам сигнала, поскольку они по существу обеспечивают временное накопление энергии. В установившихся состояниях, когда источники сигнала выдают постоянное напряжение, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю.Это явно контрастирует с резистивными нейронными сетями, в которых любой ненулевой сигнал приведет к джоулева нагреву на резистивных элементах. Кроме того, требуемая энергия для одного DPM для выполнения нейронных функций может быть уменьшена путем масштабирования шаблонов фотолитографии, что также способствует увеличению плотности интеграции (см. Дополнительное примечание 1). Суммирование временных сигналов - одна из фундаментальных функций, выполняемых отдельным нейроном, питаемым электрохимическими градиентами 39,57 , которые были математически смоделированы с помощью модели Ходжкина-Хаксли 60 .Суммирование сигнала во времени связано с переключением потенциалзависимых каналов ионов натрия и калия, которые интегрируют постсинаптические потенциалы и инициируют последующий потенциал действия. Как показано на рис. 1c, в типичном процессе временного суммирования высокочастотные пресинаптические спайки распространяются к соме, что приводит к быстрому открытию и закрытию небольшой части каналов ионов натрия и постепенному увеличению количества каналов. мембранный потенциал в момент времени т 1 .Как только мембранный потенциал превышает пороговое значение в момент времени t 2 , быстрый входящий поток ионов натрия приводит к значительному дальнейшему увеличению мембранного потенциала. Эта положительная обратная связь быстро увеличивает потенциал до тех пор, пока не откроются все доступные каналы для ионов натрия, что приводит к наблюдаемому большому скачку мембранного потенциала на рис. 1c. Достигнув максимума, мембрана испытывает реполяризацию в момент времени t 3 из-за инактивации каналов ионов натрия и открытия каналов ионов калия.Благодаря биомиметической динамике Ag 41 , реакция мембранного потенциала на последовательность входных импульсов была воспроизведена DPM. Как показано на рис. 1d, DPM накапливал заряд без «срабатывания», когда потенциал на последовательной емкости C S был низким из-за нелинейного сопротивления в выключенном состоянии диффузионного мемристора в момент времени t 1 ′. Такое нелинейное соотношение I - В , по сути экспоненциальная функция, делает сопротивление небольшим при большом напряжении (легко заряжать конденсатор), но большим при небольшом напряжении (медленно утекающим зарядом), имитируя функцию натриевых ионных каналов.По мере увеличения заряда последовательного конденсатора напряжение на последовательном конденсаторе возрастало с каждым последующим импульсом, точно отражая ожидаемое поведение, проиллюстрированное для нейрона при t 1 на рис. 1c. В момент времени t 2 ′ диффузионный мемристор был включен пресинаптическим всплеском для полной зарядки конденсатора, который имитировал скачок мембранного потенциала из-за открытия всех каналов ионов натрия при t 2 на рис.1c. В момент времени t 3 ′ пресинаптический вход был низким. Мемристор сначала был выключен, а затем снова включен с противоположным смещением заряженным конденсатором (см. Дополнительный рисунок 2 для релаксации диффузионного мемристора, зависящего от смещения), что быстро опустошило конденсатор и вернуло мембранный потенциал к исходному значению. аналогично реполяризации, вызванной открытием ионных каналов калия. Следующий пресинаптический всплеск на входе отключит диффузионный мемристор и запустит новый цикл процесса интеграции и запуска.Летучесть диффузионного мемристора по существу обеспечивает свойства реполяризации и самоинактивации ионных каналов в нейронах, что отличается от энергонезависимых мемристивных нейронов, которым требуются импульсы RESET 8 . По сравнению с летучими мемристивными нейронами с параллельной емкостью 7,9,31 , неполярный диффузионный мемристор DPM играет роль ионных каналов натрия в фазе интеграции и роль калиевых каналов для отвода накопленного заряда и восстановления потенциал в фазе реполяризации.По сравнению с одиночными мемристивными нейронами с внутренним аналоговым переключением 8,11,31 , DPM обеспечивают физическое воплощение клеточной мембраны и ионного канала, что приводит к наблюдаемой точности эмуляции нейронной функции.

Рис. 1

Динамика «интегрировать и запустить» динамического псевдо-мемконденсатора (DPM). a Сканирующая электронная микрофотография вида сверху интегрированного DPM и просвечивающая электронная микрофотография поперечного сечения. b Заряд-напряжение встроенного DPM.Петли гистерезиса показывают неустойчивое переключение между внутренним параллельным конденсатором C P мемристора и последовательным конденсатором C S . c Схематическое изображение биологического нейрона, генерирующего потенциал действия после получения высокочастотных постсинаптических сигналов. В момент времени t 1 мембранный потенциал не достиг порогового значения, поэтому при поступлении сигнала было открыто несколько натриевых каналов.Когда нейрон получил дополнительные входные стимулы, мембранный потенциал достиг порогового значения в момент времени t 2 , вызывая быстрое открытие всех доступных каналов ионов натрия. Потенциал достиг максимума и начал уменьшаться из-за реполяризации, вызванной открытием канала для ионов калия и инактивацией каналов для ионов натрия. d Процесс интеграции и запуска DPM. В момент времени t 1 ′ потенциал на конденсаторе возрастает при входном стимуле из-за нелинейного сопротивления в состоянии выключения диффузионного мемристора.В момент времени t 2 ′ диффузионный мемристор был включен пресинаптическим всплеском для полной зарядки конденсатора, который имитировал скачок мембранного потенциала из-за открытия всех каналов для ионов натрия при t 2 из c . В момент времени t 3 ′ пресинаптический вход был низким. Мемристор сначала был выключен, а затем снова включен с противоположным смещением, что быстро разрядило конденсатор и вернуло мембранный потенциал к исходному значению, подобно реполяризации, вызванной открытием каналов для ионов калия. e Схема нейротранзистора, состоящего из DPM, встроенного в затвор полевого МОП-транзистора. f Динамика процесса интеграции и запуска нейротранзисторов. На левой панели показана последовательность входных импульсов с высокой частотой (интервалы 20 мкс, синяя линия), потенциал последовательного конденсатора (черные линии) и ток мембраны аксона (красная линия), указанные в e . На правой панели были применены идентичные импульсы с интервалами 80 мкс, что привело к гораздо более низкой скорости срабатывания.

Временное поведение DPM позволяет создать активный эмулятор нейрона, используя переключаемую емкость в качестве затвора. транзистора, который затем обеспечивает усиление для вывода сигнала по сигнальной линии.Напряжение затвора имитирует мембранный потенциал в соме, а ток стока воспроизводит всплеск электрического заряда или потенциал действия, протекающий по аксону нейрона (см. Рис. 1e). Последовательность входных импульсов интегрируется на затвор нейротранзистора для создания всплеска напряжения, как показано на рис. 1f. Время интегрирования и продолжительность событий зажигания демонстрируют статистические колебания из-за динамики миграции Ag в диффузионных мемристорах 61 (см. Дополнительный рисунок 3).Когда интервал между всплесками входного напряжения был увеличен, нестабильный рост нити диффузионного мемристора означал, что требовалось больше всплесков для накопления заряда на затворе транзистора, чтобы запустить потенциал действия.

Пространственное суммирование и распространение сигналов нейротранзисторов

Дендритное дерево каждого биологического нейрона взаимодействует с соседними разветвленными проекциями аксонов через синапсы для распространения электрохимической стимуляции от соседних нейронов на его собственную сому 60 .Морфология дендритов варьируется, обеспечивая нейроны с разными функциями 60 . Временная природа сигналов, подаваемых в сому, играет фундаментальную роль в суммировании синаптических входов и в определении того, производится ли потенциал действия. Пространственное суммирование синаптических входов сильно нелинейно, что увеличивает возможности обработки информации на уровне отдельных нейронов 33 . Затвор DPM нейротранзистора вычисляет взвешенную по времени сумму входных сигналов и, таким образом, модулирует соответствующий выходной ток стока на основе результата аналогично биологическому нейрону 32 .

На рис. 2a – d показаны схемы с двумя конденсаторами, S 1 и S 2 , которые действуют как синапсы, подключенные к затвору DPM нейротранзистора. Красные и синие последовательности импульсов на рис. 2a, c представляют входные сигналы от соседних нейронов. Сработавший потенциал затвора и выходной ток изображены черными и зелеными кривыми соответственно на рис. 2b, d. В случае рис. 2a, b, был возбужден только один синапс, и результирующей стимуляции напряжения было недостаточно для срабатывания нейротранзистора.Однако одновременная стимуляция обоих синапсов, показанная на рис. 2c, d, вызвала четкое срабатывание, о чем свидетельствуют потенциал затвора и всплески выходного тока на рис. 2d. Это пространственное суммирование приводит к сверхлинейной скорости срабатывания затвора, поскольку задержка диффузионного мемристора экспоненциально уменьшается с увеличением напряжения 41,61 . Поскольку два сигнала входного напряжения складывались в форме накопления заряда на конденсаторах, в идеале не было статического рассеивания мощности по сравнению с взвешенной суммой токов в резистивно связанной нейронной сети 34 .

Рис. 2

Дендритное пространственное суммирование и распространение сигналов нейротранзисторов. a , c Входные сигналы и электрические схемы. Красная и синяя кривые представляют «пресинаптические» всплески напряжения на двух емкостных синапсах. DPM служит затвором нейротранзистора с двумя синапсами с фиксированным весом с емкостной связью S 1 и S 2 . b , d Триггерный потенциал затвора, представляющий мембранный потенциал биологического нейрона, и ток стока, соответствующий току аксона нейротранзистора, изображенные черной и зеленой кривыми соответственно.В случае возбуждения одного синапса результирующая стимуляция не могла вызвать выходные импульсы. Однако одновременная стимуляция обоих синапсов произвела четкую временную интеграцию на затворе нейротранзистора и связанные с ней всплески выходного тока. e Принципиальная схема каскадных нейротранзисторов N 1 (n-MOSFET) и N 2 (p-MOSFET). Использовались синапсы фиксированной емкости с равным весом (680 пФ). f Первый каскад N 1 интегрировал входной сигнал фиксированной частоты 1 (синяя линия) и периодически срабатывал (черные и красные линии) с некоторым изменением времени интегрирования. g Напряжение второго каскада N 2 было взвешенной суммой напряжения на S 1 , полученного на выходе N 1 и входного сигнала 2 (синяя линия), с результирующим N 2 Показаны потенциал затвора (черная линия) и выходной ток второй ступени (красная линия). Срабатывание нейротранзистора второго каскада N 2 иллюстрирует как пространственное суммирование, так и устойчивое распространение сигнала.

Биологические нейроны являются элементами усиления, потому что ионные насосы преобразуют химическую энергию в электрический потенциал, что делает нейроны активными устройствами.Для достижения этой функции с помощью электронного эмулятора искусственный нейрон должен быть способен обеспечивать энергией для разветвления и распространения сигнала в многослойных сетях 62,63 . Последние нейроморфные конструкции использовали пассивные синапсы 5,14,15,16,17,18,19,20,21 , полагаясь на активные элементы, такие как операционные усилители, для изменения синаптических весов и вычисления выводов из их агрегированных состояний. Представленный здесь нейротранзистор имеет минимальную площадь схемы среди всех активных нейроноподобных устройств (с ~ 10 транзисторами или более), о которых сообщалось на сегодняшний день 3,9,64,65 , с функциональностью DPM, интегрированной непосредственно в затвор одиночный транзистор.Транзистор обеспечивает распространение сигнала, например, в двухкаскадной схеме, показанной на рис. 2д. Нейротранзистор первого каскада N 1 (на основе n-MOSFET) интегрировал несколько импульсов из входного сигнала 1 и сработал (см. Рис. 2е). Взвешенная сумма выходного сигнала N 1 , выраженного на емкостном синапсе S 1 , и входного сигнала 2 привела к наблюдаемому поведению «интегрировать и запустить» нейрона второй ступени N 2 (на основе p- MOSFET), как показывает токовый выход, показанный на рис.2g, иллюстрирующий два важных биомиметических свойства: усиление нейронов и пространственное суммирование.

Ассоциативное обучение в псевдо-мемкапакитивных сетях

Правило Хебба - один из наиболее важных клеточных механизмов модуляции синаптического веса, в котором коррелированные пре- и постсинаптические сигналы изменяют синаптический вес 66 . Чтобы реализовать хеббовский механизм в емкостной нейронной сети, нейротранзистор был соединен с синапсами NPM, построенными с использованием аналогичной структуры, но с энергонезависимыми ячейками электрохимической металлизации для замены летучих диффузионных мемристоров (см. Методы и дополнительный рисунок 4). .Поскольку изменение веса емкости было постоянным, оно имитировало долговременную пластичность химических синапсов, такую ​​как потенцирование и депрессия. Возбуждение постсинаптического нейрона сопровождалось увеличением эффективной емкости. Сигнал, распространяющийся в обратном направлении, передавался в синапс из-за разделения напряжения между емкостным входом нейротранзистора и конденсатором синапса, который мог запрограммировать синапс на состояние высокой емкости (HCS) вместе с срабатыванием предварительного -синаптический нейрон.Такое обратное распространение, которое обычно требует сложной активной схемы обратной связи в традиционных КМОП-решениях, было реализовано прямым и надежным подходом. Таким образом, усиление синапса коррелировало во времени передающихся сигналов от пресинаптического нейрона с сигналами, распространяющимися в обратном направлении от ворот DPM постсинаптического нейрона неконтролируемым образом, создавая основу для хеббовского обучения (см. Дополнительный рисунок 5). Используя этот принцип, мы впервые демонстрируем ассоциативное обучение с емкостной нейронной сетью, которое реализовано в схеме мультиплексирования с временным разделением (см. Методы) здесь и ранее было продемонстрировано с использованием неемкостных элементов, включая мемристоры, для демонстрации фундаментальных процессов обучения. как классическое кондиционирование 4,67,68,69 .В классическом обусловливании ассоциативное обучение включает в себя многократное объединение безусловного стимула, который всегда вызывает рефлексивную реакцию, с нейтральным стимулом, который обычно не вызывает реакции. Между нейтральным стимулом и безусловным стимулом после тренировки возникает связь, так что реакция может быть вызвана либо безусловным стимулом, либо нейтральным стимулом, в результате чего последний становится условным стимулом.

Как показано на рис.3a – d, два пресинаптических нейрона, представленные источниками напряжения, моделируют вид еды и звук колокольчика соответственно. Постсинаптический нейрон моделирует слюноотделение собаки. Первоначальный вес синапса, взаимодействующего с пресинаптическим нейроном «пища», был большим, в то время как вес синапса, соединенного с пресинаптическим нейроном «колокола», был небольшим. Следует отметить, что наша ассоциативная нейронная сеть симметрична. Сигналы стимула могут быть заменены аффилированными синаптическими весами, что контрастирует с асимметричными схемами, для которых нельзя обмениваться входными данными 68 .На рис. 3а, б показана «фаза зондирования» перед ассоциацией; на соответствующие нейроны подавались индивидуальные пищевые или звонкие стимулы. Возбуждение постсинаптического нейрона «слюноотделения» было вызвано только сигналом «пищи», но не сигналом нейрона «колокола», поскольку большая емкость «пищевого» синапса приводила к значительному падению напряжения на «пищевом» синапсе. слюноотделение »нейрон интегрируется за порог (см. рис. 3b). На этапе зондирования вес синапсов не изменялся. Процесс ассоциации изображен на рис.3в, для которого одновременно применялись раздражители «пища» и «звонок» в течение достаточного времени. Постсинаптический нейрон «слюноотделения» вызвал стимул от «пищевого» синапса. Нейрон DPM показал короткое и стохастическое время релаксации из-за лежащей в его основе динамики (см. Дополнительный рисунок 3). Была вероятность того, что процесс релаксации продлится более одного периода всплеска (например, 20 мкс на рис. 3c). Как только происходила длительная релаксация, возбуждение нейрона «слюноотделения» (теперь с большой емкостью затвора) могло перекрываться с распространяющимися вперед пиками напряжения от нейрона «колокола», давая достаточно большое напряжение для потенцирования «колокольного» синапса и таким образом создайте ассоциацию между «колоколом» и «слюноотделением».На рис. 3d ассоциация была подтверждена с использованием только стимула «колокольчик», который успешно запустил нейрон «слюноотделения». Реализация этого классического кондиционирования проверяет обучение, подобное хеббианскому, в полностью емкостной нейронной сети (другие сценарии механизма, подобного хеббианскому, см. На дополнительном рисунке 6).

Рис. 3

Емкостная сеть для ассоциативного обучения, основанная на механизме Хеббиана. Два пресинаптических сигнала моделируют вид еды и звук колокольчика соответственно.Постсинаптический нейрон моделирует слюноотделение собаки. Первоначальный вес синапса, взаимодействующего с пресинаптическим нейроном «пища», был большим, в то время как вес синапса, соединенного с пресинаптическим нейроном «колокола», был небольшим. a Зонд только с сигналом «звонок» до ассоциации. Постсинаптический нейрон не сработал. b Зондирование только с сигналом «пищи» запускало срабатывание постсинаптического нейрона. c Ассоциативное обучение с одновременным применением стимулов «звонок» и «еда» в течение достаточного времени.Если время релаксации после срабатывания пресинаптического нейрона «слюноотделения» было достаточно продолжительным, сигнал обратного распространения мог перекрываться с распространяющимися вперед пиками напряжения от нейрона «колокола», который запрограммировал энергонезависимый псевдо-мемконденсатор (NPM) - на основе «колокольного» синапса. d Зонд после фазы кондиционирования. Постсинаптический нейрон, активировавшийся только стимулом «колокольчик»

Полностью интегрированные псевдомемемкостные сети

Был изготовлен прототип микросхемы с полностью интегрированной емкостной нейронной сетью с архитектурой, схематически показанной на рис.4а. Синапсы NPM сформировали решетчатый массив 4 × 4 (синий прямоугольник) с нейронами DPM (красный прямоугольник) в конце каждого столбца (см. Рис. 4a, b), создавая полностью связанную сеть. Такая импульсная нейронная сеть очень похожа на биологический аналог.

Рис. 4

Прототип полностью интегрированной емкостной нейронной сети. a Сканирующие электронные микрофотографии сети, состоящей из массива синапсов 4 × 4 (синий прямоугольник), связанных с четырьмя нейронами (красный прямоугольник). b Каждый нейрон был связан с четырьмя синапсами. c , d Нейроны DPM и синапсы NPM были построены с использованием мемристоров на основе Ag (пурпурный и голубой прямоугольники соответственно), последовательно соединенных со встроенными конденсаторами (красный и синий прямоугольники). e Структурный анализ нейротранзистора. Электронная микрофотография поперечного сечения показывает диффузионный мемристор, расположенный на затворе обычного n-MOSFET. f Электронная микрофотография диффузионного мемристора с высоким разрешением, демонстрирующая диэлектрическую матрицу из аморфного SiO x с тонкими нанокристаллическими слоями Ag. г Структурный анализ интегрированного синапса. На микрофотографии, полученной с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показана ячейка электрохимической металлизации поверх конденсатора HfO 2 . h Увеличенная электронная микрофотография с высоким разрешением ячейки электрохимической металлизации показывает толстый серебряный электрод, ответственный за более длительное время сохранения состояния с высокой проводимостью мемристора. i , j Схематическая иллюстрация и экспериментальное наблюдение программирования синапсов с использованием механизма, подобного хеббианскому.Одновременные пресинаптические сигналы (синие и зеленые линии в j ) применялись как к синапсу в состоянии низкой емкости (LCS), так и к синапсу состояния высокой емкости (HCS). Постсинаптический нейрон сработал (красные линии на j ), и синапс LCS был впоследствии потенцирован, что заставило нейрон сработать за более короткое время интеграции с 280 до 400 мкс (красная кривая j )

Транзисторы и синапсы были сконструированы вертикальным расположением диффузионных мемристоров и ячеек электрохимической металлизации, различающихся относительным количеством Ag, используемого в каждом, с последовательной емкостью, соответственно (см.рис.4б, в). Нейротранзистор состоял из диффузионного мемристора, встроенного в затвор обычного n-MOSFET (см. Рис. 4e). Структурный анализ с использованием поперечного сечения ПЭМ высокого разрешения показал, что диэлектрическая матрица SiO x была аморфной, а тонкий слой Ag был нанокристаллическим, как показано на рис. 4f. Неустойчивое резистивное переключение связано с минимизацией межфазной энергии или эффектом Гиббса-Томсона, который заставляет мостиковые наночастицы Ag в матрице созревать и коалесцировать на электродах 41,70 (см. Дополнительный рисунок 7).Информация о составе дополнительно подтверждается данными энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) (см. Дополнительный рисунок 8). С другой стороны, каждый из синапсов NPM состоял из ячейки электрохимической металлизации поверх последовательного конденсатора с высоким содержанием HfO 2 (см. Рис. 4g и дополнительный рисунок 8), который имел толстый электрод из серебра и более крупный электрод из серебра. -распылительная мощность для увеличения концентрации Ag в диэлектрической матрице и, следовательно, значительно более длительное время удерживания для соответствия требованиям синапсов (см.рис.4ч). Интегрированная емкостная нейронная сеть совместима с существующей инфраструктурой для кремниевых технологий и имеет те же возможности масштабирования, что и транзисторы. (Запуск литографии в крайнем ультрафиолете потенциально может сделать поперечное сечение затвора аналогичным размеру нити мемристора 59 .) Пресинаптические входы с временным мультиплексированием генерировались вне кристалла (см. Методы).

Как показано на рис. 3, программирование синаптического массива было реализовано с помощью механизма, подобного хеббианскому.На рис. 4i, j синапс в состоянии низкой емкости (LCS) может быть потенцирован, если как пресинаптические (синяя стрелка на рис. 4i и синие линии на рис. 4j), так и постсинаптические нейроны (красная стрелка на рис. 4i и красные линии на рис. 4j) сработали вместе. Возбуждение постсинаптического нейрона может быть вызвано стимуляцией соседних синапсов в HCS в течение достаточно длительного периода (зеленая стрелка на рис. 4i и зеленые линии на рис. 4j). Постсинаптический нейрон сработал из-за стимула синапса HCS.Стохастические вариации в паттерне возбуждения постсинаптического нейрона (красные линии на рис. 4j, также см. Дополнительный рисунок 3) привели к наложению спайка с пресинаптическим входом, который дает достаточно большое напряжение для установки ячейки электрохимической металлизации. синапса, т. е. программирует синапс от LCS к HCS.

Пресинаптические сигналы могут быть введены и классифицированы с помощью полностью подключенной нейронной сети из-за внутренней способности векторно-матричного умножения, которая до сих пор была продемонстрирована только на резистивных решетках 22,28 .Здесь мы показываем, что емкостная матрица на рис. 4 также несет в себе возможность скалярного произведения в памяти без необходимости цифровой логики, таким образом выполняя логический вывод о пресинаптических сигналах, закодированных с помощью пиков. Синапсы сети были предварительно запрограммированы на разные веса (см. Дополнительный рисунок 9 для измерения эквивалентной емкости синапсов). Простой вывод демонстрируется с использованием подмассива 2 × 3, сопряженного с тремя нейронами и получающего двумерный ввод, представленный скоростями (частотами) входных пиков (см. Дополнительный рисунок 10 для входных шаблонов за цикл).Входы в сеть были сопоставлены с выходным пространством, представленным скоростью интеграции и запуска (длительность цикла, деленная на время интеграции до первого срабатывания нейрона) постсинаптических нейронов (например, N2, N3 и N4). ), как показано цветными картами на рис. 5б. Поскольку массив мог быть запрограммирован во время этого процесса интерференции, массив был перепрограммирован на тот же образец перед каждым циклом вывода. Это доказательство принципиальной демонстрации сети пиковых сигналов экспериментально подтвердило возможность использования емкостной нейронной сети для классификации сигналов 54 .

Рис. 5

Вывод пресинаптических сигналов с помощью емкостной нейронной сети. а Схема классификатора. Подмассив нейронной сети размером 2 × 3, выделенный красным пунктирным прямоугольником, использовался для классификации двумерного входного вектора, состоящего из неперекрывающихся скачков напряжения с разной скоростью, R 1 и R 2 всплесков за период (см. Также дополнительный рисунок 10). Синапсы NPM были инициализированы в дискретные состояния. b Цветные карты частоты интеграции и активации постсинаптического нейрона за цикл ввода (учитывается только первый цикл интеграции и запуска) в зависимости от частоты выбросов двух пресинаптических входов

DC Circuits Содержащие резисторы и конденсаторы

1. Устройство синхронизации в системе стеклоочистителей прерывистого действия автомобиля основано на постоянной времени RC и использует конденсатор емкостью 0,500 мкФ и переменный резистор. В каком диапазоне должен изменяться R для достижения постоянной времени от 2.От 00 до 15,0 с?

2. Кардиостимулятор срабатывает 72 раза в минуту, каждый раз, когда конденсатор емкостью 25,0 нФ заряжается (батареей, включенной последовательно с резистором) до 0,632 от его полного напряжения. В чем ценность сопротивления?

3. Продолжительность фотографической вспышки связана с постоянной времени RC , которая составляет 0,100 мкс для определенной камеры. (а) Если сопротивление импульсной лампы составляет 0,0400 Ом во время разряда, каков размер конденсатора, обеспечивающего его энергию? (б) Какова постоянная времени зарядки конденсатора, если сопротивление зарядки составляет 800 кОм?

4.Конденсатор емкостью 2,00 и 7,50 мкФ можно подключать последовательно или параллельно, а также резисторы на 25,0 и 100 кОм. Вычислите четыре постоянные времени RC , которые можно получить при последовательном соединении полученной емкости и сопротивления.

5. После двух постоянных времени, какой процент конечного напряжения, ЭДС, находится на первоначально незаряженном конденсаторе C , заряженном через сопротивление R ?

6. Резистор на 500 Ом, незаряженный конденсатор емкостью 1,50 мкФ и 6.ЭДС 16 В включены последовательно. а) Каков начальный ток? (b) Что такое постоянная времени RC ? (c) Каков ток через одну постоянную времени? (d) Какое будет напряжение на конденсаторе после одной постоянной времени?

7. Дефибриллятор сердца, используемый на пациенте, имеет постоянную времени RC 10,0 мс из-за сопротивления пациента и емкости дефибриллятора. (a) Если дефибриллятор имеет емкость 8,00 мкФ, каково сопротивление пути, проходящего через пациента? (Вы можете пренебречь емкостью пациента и сопротивлением дефибриллятора.) (b) Если начальное напряжение составляет 12,0 кВ, сколько времени потребуется, чтобы упасть до 6,00 × 10 2 В?

8. Монитор ЭКГ должен иметь постоянную времени RC менее 1,00 × 10 2 мкс, чтобы иметь возможность измерять изменения напряжения за небольшие промежутки времени. (а) Если сопротивление цепи (в основном из-за сопротивления груди пациента) составляет 1,00 кОм, какова максимальная емкость цепи? (б) Будет ли сложно на практике ограничить емкость до значения, меньшего, чем значение, указанное в (а)?

9.На рис. 7 показано, как истекающий резистор используется для разряда конденсатора после отключения электронного устройства, что позволяет человеку работать с электроникой с меньшим риском поражения электрическим током. а) Что такое постоянная времени? (b) Сколько времени потребуется, чтобы снизить напряжение на конденсаторе до 0,250% (5% от 5%) от его полного значения после начала разряда? (c) Если конденсатор заряжен до напряжения В 0 через сопротивление 100 Ом, рассчитайте время, необходимое для повышения до 0,865 В 0 (Это примерно две постоянные времени.)

Рисунок 7.

10. Используя точную экспоненциальную обработку, найдите, сколько времени требуется, чтобы разрядить конденсатор емкостью 250 мкФ через резистор 500 Ом до 1,00% от его первоначального напряжения.

11. Используя точную экспоненциальную обработку, найдите, сколько времени требуется для зарядки первоначально незаряженного конденсатора 100 пФ через резистор 75,0 МОм до 90,0% от его конечного напряжения.

12. Integrated Concepts Если вы хотите сфотографировать пулю, летящую со скоростью 500 м / с, то очень короткая вспышка света, производимая разрядом RC через импульсную трубку, может ограничить размытие.Предполагая, что движение на 1,00 мм за одну константу RC является приемлемым, и учитывая, что вспышка приводится в действие конденсатором емкостью 600 мкФ, каково сопротивление в импульсной лампе?

13. Integrated Concepts Мигающая лампа в рождественской серьге основана на разряде конденсатора RC через его сопротивление. Эффективная продолжительность вспышки составляет 0,250 с, в течение которых она дает в среднем 0,500 Вт при среднем 3,00 В. а) Какую энергию она рассеивает? б) Сколько заряда проходит через лампу? (c) Найдите емкость.(г) Какое сопротивление лампы?

14. Integrated Concepts Конденсатор емкостью 160 мкФ, заряженный до 450 В, разряжается через резистор 31,2 кОм. (а) Найдите постоянную времени. (b) Рассчитайте повышение температуры резистора, учитывая, что его масса составляет 2,50 г, а его удельная теплоемкость [латекс] 1,67 \ frac {\ text {кДж}} {\ text {кг} \ cdotº \ text {C}} \\ [/ latex], учитывая, что большая часть тепловой энергии сохраняется за короткое время разряда. (c) Рассчитайте новое сопротивление, предполагая, что это чистый углерод.(d) Кажется ли это изменение сопротивления значительным?

15. Необоснованные результаты (a) Рассчитайте емкость, необходимую для получения постоянной времени RC 1,00 × 10 3 с резистором 0,100 Ом. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

16. Создай свою проблему Рассмотрим вспышку фотоаппарата. Составьте задачу, в которой вы вычисляете размер конденсатора, который накапливает энергию для лампы-вспышки.Среди факторов, которые необходимо учитывать, - это напряжение, приложенное к конденсатору, энергия, необходимая для вспышки, и соответствующий заряд, необходимый для конденсатора, сопротивление импульсной лампы во время разряда и желаемая постоянная времени RC .

17. Создайте свою проблему Рассмотрим перезаряжаемый литиевый элемент, который будет использоваться для питания видеокамеры. Постройте задачу, в которой вы вычисляете внутреннее сопротивление ячейки во время нормальной работы. Кроме того, рассчитайте минимальное выходное напряжение зарядного устройства, которое будет использоваться для зарядки литиевого элемента.Среди факторов, которые следует учитывать, - ЭДС и полезное напряжение на клеммах литиевого элемента, а также ток, который он должен обеспечивать в видеокамере.

Супер-простой способ альтернативной электроники

Абстрактные

Фон

Текущие стратегии создания электронных устройств, как правило, требуют затрат времени, воды, материалов и энергии. Здесь предлагается и исследуется прямая запись составных функциональных схем посредством комплексного использования жидких металлических чернил на основе GaIn 10 и соответствующего материала, что является довольно простым и экономичным способом изготовления электроники по сравнению с традиционными подходами.

Методы

Благодаря своей превосходной адгезии и электрическим свойствам жидкометаллические чернила были продемонстрированы как универсальные при непосредственном изготовлении различных основных электронных компонентов, таких как планарный резистор, катушка индуктивности и конденсатор или их комбинации, и, таким образом, составление цепей с ожидаемыми электрическими функциями. Для точного контроля геометрических размеров письма использовалась и демонстрировалась маска с заданным рисунком. Были раскрыты механизмы для обоснования химических компонентов красок и величин целевых электронных элементов, чтобы составить различные практические схемы.

Результаты

Фундаментальные испытания электрических компонентов, включая конденсатор и катушку индуктивности, записанные непосредственно на бумаге, с рабочим временем до 48 часов и повышенной температурой, продемонстрировали их хорошую стабильность и потенциальную широкую адаптируемость, особенно при использовании в некоторых высокочастотных цепях. В качестве первого проверочного эксперимента типичный функциональный колебательный контур, включающий интегральный чип 74HC04 с напряжением питания 5 В, конденсатор 10 нФ и два резистора 5 кОм и 1 кОм, соответственно, был непосредственно составлен на бумаге через объединение определенных электрических элементов вместе, что дает частоту колебаний 8.8 кГц.

Выводы

Настоящий способ значительно расширяет роль металлических чернил в последних работах, служащих только одним электрическим проводником или соединительными проводами. Это открывает путь для прямой записи сложных функциональных схем или устройств на различных подложках. Такая стратегия компоновки схем имеет общую цель и может быть распространена на большее количество областей, даже на повседневную электронику.

Образец цитирования: Гао Й, Ли Х, Лю Дж. (2013) Прямая запись резистора, индуктора и конденсатора в составные функциональные схемы: супер-простой способ альтернативной электроники.PLoS ONE 8 (8): e69761. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069761

Редактор: Арум Хан, Техасский университет A&M, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 23 февраля 2013 г .; Одобрена: 12 июня 2013 г .; Опубликовано: 2 августа 2013 г.

Авторские права: © 2013 Gao et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Источник: Работа частично поддержана Техническим институтом физики и химии Китайской академии наук. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи. Дополнительного внешнего финансирования для этого исследования не получено.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

В последнее время в области электроники растет потребность в разработке инновационных производственных стратегий, которые позволяют экономить время, воду, материалы и энергию [1], [2].Среди множества когда-либо предпринятых усилий классические технологии, такие как литография, импринтинг и т. Д., Значительно стимулировали быстрый прогресс науки и техники. Нежелательной особенностью этих методов является то, что они обычно сложны, дороги и, следовательно, труднодоступны. В качестве альтернативы, недавно появившаяся технология прямой записи, которая обладает сложной и усовершенствованной способностью формирования рисунка, открывает многообещающее будущее [3], особенно в таких областях, как гибкие дисплеи [4] - [6], конформные антенные решетки, тонкопленочные транзисторы [ 7] - [12], мембранные клавиатуры, электронные батареи солнечных элементов [13], [14], метки радиочастотной идентификации (RFID) [15], гибкие батареи [16], [17] и электронные схемы, изготовленные в электронном .грамм. одежда или биомедицинские устройства и т. д. [18] - [21]. Таким образом, прямая запись оказалась довольно эффективной философией в производстве электроники из-за их огромной потенциальной ценности [3]. Суть такой практики заключается в разработке электронных чернил с различными превосходными физическими или химическими свойствами.

Хорошо известно, что обычные функциональные чернила обычно включают наноразмерные металлические порошки, высокомолекулярные полимеры и керамические материалы, которые являются важными и неотъемлемыми частями практики прямого письма.Хотя значительные усилия были предприняты для разработки токопроводящих чернил для технологии прямого письма, многие из них оказались недостаточно идеалистичными. Возьмем, к примеру, проводящие чернила. Одна из основных проблем заключается в том, что большинство существующих чернил все еще имеют довольно низкую проводимость. Поли (3,4-этилендиокситиофен), активированный поли (4-стиролсульфонатом) (PEDOT: PSS), одним из органических проводящих материалов с хорошими свойствами, привлек большое внимание и используется в качестве электродов для конденсаторов или фотодиодов.Во многих работах сообщалось о модификации проводимости PEDOT: PSS путем добавления нескольких добавок, таких как полиолы, металлы и различные растворители [22], [23]. При таких усилиях должна быть принята очень высокая температура термообработки для улучшения проводимости чернил. Показано, что синтезированные чернила могут сохранять проводимость около 50% от массы после термообработки при температуре около 400 ° C при формировании их влажных рисунков [3]. К сожалению, огромное количество пластиковых подложек требует последующей термообработки при температуре ниже 150 ° C, и в такой ситуации проводимость готовых рисунков будет составлять только 30% от объемных металлов [3].Между тем, исследователи также обращаются к бумажным субстратам, потому что они могут использоваться в качестве недорогой платформы для многих гибких и одноразовых устройств [24], [25]. Фактически, бумажная основа предлагает огромные преимущества для печатных электронных устройств. Он не только широко доступен и недорого, но также легкий, биоразлагаемый, его можно свернуть или сложить в 3D-конфигурации. Однако температура термообработки бумаги должна опускаться ниже 100 ° C, что может привести к гораздо более низкой проводимости обычных чернил.

В целом, существующие методы прямого письма по-прежнему унаследовали ряд нежелательных свойств, таких как более высокая стоимость, легкое окисление, более низкое электрическое сопротивление и адгезия, а также сложный процесс подготовки. Очевидно, что успех технологии прямого письма требует взрывных инноваций, которые должны существенно отличаться от существующих в настоящее время технических путей.

Исходя из этого основного соображения, мы недавно обратились к жидкому металлу комнатной температуры, роль которого в качестве электронных чернил, к сожалению, раньше игнорировалась.Как было выяснено, галлий и его сплавы имеют очень низкое давление пара. Согласно некоторым исследованиям [26], [27], Галинстан, один из сплавов галлия, успешно используется в качестве сплава для пломбирования зубов. По сравнению с обычными химическими веществами серебра, такие материалы обладают многими уникальными благоприятными достоинствами, такими как достаточно низкая точка плавления около комнатной температуры, чрезвычайно простой процесс приготовления и так далее [28]. Например, серебряные чернила получают из частиц серебра в водном растворе путем восстановления нитрата серебра в присутствии поверхностно закрывающего агента, поли (акриловой кислоты) и диэтаноламина [29] - [31], в то время как жидкие металлические чернила могут быть изготовлены посредством довольно простой реакции окисления всего за несколько минут.А проводящая пленка на основе жидких металлических чернил больше не требует какой-либо термической обработки для улучшения ее электропроводности. Кроме того, он по-прежнему обладает некоторыми другими преимуществами. Например, использованные жидкие металлические чернила можно эффективно регенерировать с помощью 30% раствора NaOH. Рекуперация и переработка жидких металлических чернил могут не только контролировать загрязнение, но и решить проблемы с отходами сырья. Кроме того, полужидкое состояние жидких металлических чернил способствует самовосстановлению при нарушении проводящего пути.Blaiszik и др. предложили схему самовосстановления, и жидкий сплав GaIn, заключенный в оболочку из полимерной карбамидоформальдегидной оболочки, наносится на проводящие линии для своевременного заживления разорванных цепей [32]. Автономное восстановление электропроводности в поврежденной цепи приведет к увеличению срока службы и надежности устройства, а также к эффективному повышению эффективности работы.

В качестве самой начальной попытки мы ранее пытались использовать металлические чернила для прямой записи электрических соединений, что ясно показало многообещающие особенности новой техники [33].Чтобы еще больше значительно расширить использование печатной электроники на основе жидкого металла, мы посвятили себя исследованию ее возможностей по прямому написанию полной функциональной схемы. Чтобы проиллюстрировать основной принцип нынешней стратегии, три наиболее фундаментальных элемента в электрической цепи, включая резистор, катушку индуктивности и конденсатор и их комбинацию, впервые написаны на бумаге жидкими металлическими чернилами, что проложило путь для создания различной сложной электроники и схемы даже устройства.Установлено, что величины изготовленных электронных элементов легко регулируются с помощью геометрической или химической конструкции компонентов. Принятие настоящего метода в области электроники открывает путь для быстрой записи всех компонентов схемы с желаемыми функциями, которые могут быть такими же простыми, как рисование изображения на бумаге. Такая стратегия создания электроники имеет общую цель и может быть распространена на большее количество областей, даже на повседневную жизнь.

Материалы и методы

Подготовка жидких металлических чернил на основе GaIn

10

Галлий и индий металлы чистотой 99.99 процентов, использованных в качестве сырья, были взвешены с массовым соотношением 90∶10 в соответствии с химическим составом сплава GaIn 10 . Подробные процедуры синтеза были изложены соответственно следующим образом [33]: Сначала галлий добавляли в химический стакан и переводили в жидкую форму путем нагревания при 373 К. Затем в жидкий галлий загружали индий с температурой плавления 429,8 К для приготовления Сплав GaIn 10 . Смеси перемешивали с помощью магнитной мешалки, когда все они расплавились.Затем медленно добавляли 10 мл 30% раствора NaOH для очистки металлов. Смесь перемешивали при комнатной температуре в течение короткого периода времени. Содержимое стакана имело как водную фазу, так и металлическую фазу. Затем сплав GaIn 10 отделяли от смеси и постоянно перемешивали на воздухе при комнатной температуре для окисления. Оксидный слой, легко образующийся на поверхности сплавов, разрушался при интенсивном перемешивании, так что все больше и больше металлического галлия могло окисляться. С увеличением количества образующихся оксидов галлия вязкость сплава может быть улучшена.После интенсивного перемешивания в течение 10 мин при скорости перемешивания 200 об / мин -1 можно получить жидкие металлические чернила на основе GaIn 10 с соответствующей вязкостью, которые состояли из сплава GaIn 10 и небольшого количества количество оксида галлия, равномерно диспергированного в сплаве. Следует отметить, что в этом эксперименте необходимо строго контролировать несколько параметров, таких как количество галлия, время перемешивания и скорость перемешивания.

Характеристика GaIn

10 Жидкометаллические чернила на основе

Температуру плавления жидких металлических чернил на основе галлия измеряли с помощью дифференциального сканирующего калориметра (DSC 200 F3 Maia, Netzsch).Морфология поверхности и толщина проводящей линии, написанной на бумаге, наблюдались с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FESEM, S4300, Hitachi). Измерения удельного электрического сопротивления проводились методом четырехточечного зонда в воздухе при комнатной температуре, которые измерялись с точностью ± 0,5 ° C термопарами Т-типа. Данные регистрировались с помощью Agilent 34972A (США), который представлял собой регистратор данных для регистрации сигналов напряжения, тока и температуры. Перед каждым измерением образец стабилизировали при постоянной температуре не менее 2 ч для обеспечения теплового равновесия.Углы смачивания измеряли прибором для определения угла смачивания (JC2000D3) при комнатной температуре. Измерения емкости, индуктивности и сопротивления проводились с помощью цифрового электрического моста LCR. Частота измерения и уровень были выбраны равными 100 кГц и 0,3 В соответственно.

Результаты экспериментов

Прямая запись основных электронных компонентов

Хотя существует довольно много кандидатов на использование жидких металлических красок при комнатной температуре, которые гарантируют широкую применимость нового метода, здесь для краткости исследуется только сплав на основе галлия.Жидкие металлические чернила GaIn 10 (весовые проценты, Ga90%, In10%) получают путем контроля реакции окисления. Содержание оксидов галлия контролировалось путем корректировки экспериментальных параметров. В настоящей работе жидкометаллические чернила на основе GaIn 10 состоят из 0,026 мас.% Кислорода, который существует в форме оксидов галлия и может быть рассчитан по увеличению массы жидкого металла на основе GaIn 10 с окислением и без него. , соответственно.

Как показывают наши недавние эксперименты, наличие оксидов галлия значительно улучшает адгезию жидкого металла на основе GaIn 10 с различными подложками [28], [33].Чернила на основе GaIn 10 состоят из 0,026 мас.% Кислорода, что было измерено как 34,5 мкОм · см при 297 К методом четырехточечного зонда [33]. Теперь стало ясно, что жидкометаллические чернила на основе GaIn 10 с содержанием кислорода всего 0,026%, полученные методом реакции окисления, можно напрямую и легко писать на бумаге с помощью различных видов удобных инструментов, таких как шариковая ручка, кисть и т. Д. на. Единственное различие между настоящим подходом и обычным письмом или рисованием в повседневной жизни состоит в том, что жидкометаллические проводящие чернила используются здесь для замены воды, как чернила.Таким образом, люди могут удобно писать различные формы и узоры на гибких подложках в соответствии с конкретными требованиями целевых электрических устройств благодаря превосходной смачиваемости жидких металлических чернил с другими материалами.

Как хорошо известно, резистор, конденсатор и индуктор - это три основных электрических компонента, которые широко используются при проектировании электрических цепей, таких как различные устройства LC \ RC \ LCR и некоторые другие сложные функциональные цепи. Здесь конденсатор, который является наиболее сложным из трех видов электрических компонентов, специально выбран в качестве примера для печати на бумаге.На рис. 1А показаны подробные размеры четырех спроектированных конденсаторов как с плоской, так и с традиционной сэндвич-схемой. На рис. 1В показана основная процедура подготовки для непосредственного написания электрических компонентов на бумаге с использованием жидких металлических чернил на основе GaIn 10 . Процесс в основном состоит из пяти этапов. Во-первых, были разработаны конденсаторы, включающие как плоские, так и традиционные многослойные конструкции. Для плоских компонентов приняты три разные геометрии. Во-вторых, на тонком полиимидном листе (толщиной 0,5 мм) вырезаны разработанные рисунки конденсаторов.1 мм), чтобы подготовить маску, которая используется для точного контроля формы и размера разработанных рисунков на подложках. В-третьих, в качестве подложки выбирается лист машинной бумаги формата А4. Как известно, бумага - один из водопоглощающих материалов. Следовательно, чтобы избежать потенциального влияния бумажной основы на проводящие свойства жидких металлических чернил на основе GaIn 10 , на бумагу была нанесена тонкая пленка из прозрачного силиконового каучука, служащая в качестве изолирующего слоя, как показано на рисунке 1.В-четвертых, конденсаторы пишутся прямо на бумаге после высыхания силиконовой резины. Наконец, электрические компоненты из жидкого металла следует покрыть пленкой из поливинилхлорида (ПВХ). С одной стороны, жидкие металлические чернила на основе GaIn 10 с температурой плавления 289 K, измеренной дифференциальным сканирующим калориметром, остаются в полужидком состоянии около комнатной температуры и, следовательно, могут не затвердеть после записи на подложке, если только это не произойдет. перед использованием подвергали соответствующему охлаждению.Следовательно, металл иногда может размазываться из-за механического напряжения. В качестве средства защиты влажные узоры можно покрыть тонкой пленкой ПВХ, которая эффективно защитит электрические компоненты. С другой стороны, слой оксида галлия, сформированный на поверхности, может быть отделен от пользователей, что дополнительно обеспечивает безопасность эксплуатации жидкометаллических чернил на основе галлия. Подчеркивается, что для определения электрических характеристик следует использовать токоподвод. Здесь одна сторона токоподвода соединена с выводом компонентов на основе жидкого металла и вместе покрыта пленкой ПВХ, а другая сторона используется для подключения зонда или зажима тестовых устройств.Толщина слоя жидких металлических чернил, слоя изоляционного лака и слоя ПВХ составляет около 50 мкм, 100 мкм и 100 мкм соответственно. На рис. 1C показано в разобранном виде схематическое изображение массива концентрических круговых узоров для электрических конденсаторов, написанных непосредственно на бумаге, которая подготовлена ​​описанным выше процессом подготовки. Гибкие схемы на бумажной основе в основном состоят из четырех слоев: бумажной основы, изолирующего слоя, электрических компонентов и покрывающей пленки.

Рисунок 1.Непосредственная запись электрических компонентов на бумагу с использованием жидких металлических чернил на основе GaIn 10 .

(A) Подробные размеры плоского и обычного многослойного рисунка разработанных конденсаторов. (B) В качестве примера взят процесс изготовления плоских и обычных многослойных схем электрических конденсаторов. (C) Покомпонентное изображение схематическое изображение массива концентрических круговых узоров электрических конденсаторов, написанных в одной плоскости.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069761.g001

На рисунке 2 показано оптическое изображение проводящей линии, полученное в соответствии с описанной выше процедурой. Эта проводящая линия шириной около 2 мм наносится кистью непосредственно на печатную бумагу, а графики СЭМ показывают ее поперечное сечение и топографию поверхности на рисунках 2A и 2B, соответственно. Можно заметить, что средняя толщина проводящей линии, нанесенной на бумагу, и силиконового каучука, нанесенного на бумагу, может достигать примерно 40 мкм и 100 мкм соответственно.Силиконовый каучук, нарисованный на бумаге, тесно интегрируется с жидкими металлическими чернилами, что еще раз доказывает превосходную смачиваемость металлических чернил с силиконовым каучуком, нанесенным на бумагу.

Рис. 2. СЭМ-графики разреза и топографии поверхности токопроводящей линии.

(A) SEM-графики разреза и (B) топографии поверхности проводящей линии, написанной на бумаге с использованием жидких металлических чернил на основе GaIn 10 . Диапазон колебаний толщины токопроводящей линии составляет от 30 мкм до 50 мкм, а толщина изоляционного лака составляет около 100 мкм.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069761.g002

Прямая запись сложных схем на различных материалах подложки

Превосходная смачиваемость жидких металлических чернил на основе GaIn 10 позволяет использовать их для непосредственного и простого рисования электродов, электронных компонентов и сложных электрических цепей с различными желаемыми линиями и рисунками цепи на желаемой подложке без каких-либо утечек, пропусков или течет. На рисунке 3 показаны печатные электроды, электрические компоненты и сложные электрические схемы, полученные путем прямой записи на различных материалах подложки с мягкими или жесткими свойствами, которые широко используются в электронике.На рисунках 3A и 3B показаны сложные печатные электрические схемы, выполняющие функции векторной схемы Hi-Tech и схемы тестера кристаллов, соответственно, которые непосредственно написаны на стеклопластике (GRP), а на рисунке 3C показаны два вида индукторов. с разной геометрией, полученной с помощью одного и того же процесса подготовки (как показано на рисунке 1). Кроме того, общие электрические соединительные линии нанесены непосредственно на полиимид, как показано на рисунке 3D. По сравнению с несмачиваемыми чистыми сплавами GaIn 10 и органическими материалами с низкой электропроводностью жидкие металлические чернила на основе GaIn 10 , состоящие более чем на 99% из сплава GaIn 10 , не только обладают хорошей смачиваемостью, но и обладают низкое удельное электрическое сопротивление.Он убежден, что описанный выше процесс прямой записи может быть использован для эффективной разработки широкого спектра настраиваемых гибких или жестких электронных схем в ближайшем будущем. Таким образом, можно быстро в короткие сроки превратить любой дизайн из макета в прямое написание прототипов. Жидкий металл на основе GaIn 10 , служащий специальной металлической краской для изготовления эффективных печатных плат, имеет важное практическое значение и широкую перспективу применения.

Рис. 3. Печатные схемы, полученные путем прямой записи на различных материалах подложки с мягкими или жесткими свойствами, которые, как ожидается, будут использоваться в электронике будущего.

(A) - (B) Стеклопластик (GRP). (C) Индукторы прямо написаны на бумаге. (D) Полиимид.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069761.g003

Смачиваемость GaIn

10 Чернила с различными бумагами в качестве подложек

Хорошо известно, что бумажные основы предлагают огромные преимущества для изготовления печатных электронных устройств. Здесь используются три разных вида бумаги, включая фильтровальную бумагу, бумагу для печати и фотобумагу, чтобы изучить их влияние на смачиваемость чернил GaIn 10 , как показано на рисунке 4.Можно видеть, что угол смачивания на разных типах бумаги изменяется лишь незначительно, как показано на рисунках 4A и 4B. Вся поверхность раздела жидкость-твердое вещество имеет большой контактный угол, что помогает получить узкую дорожку для рисования на бумаге. На рис. 4C показаны катушки индуктивности, написанные на трех разных листах бумаги с использованием жидких металлических чернил, что указывает на то, что чернила GaIn 10 могут быть легко написаны на трех листах бумаги, хотя есть небольшие различия в углах контакта.

Рис. 4. Смачиваемость чернил GaIn 10 на трех разных типах бумаги.

(A) Изменение угла смачивания и (B) капли чернил с разной бумагой. (C) Катушки прямо написаны на трех разных листах бумаги.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069761.g004

Измерения стабильности электронных компонентов, непосредственно записанные на бумаге

Учитывая требования практического применения, необходимо всесторонне знать больше об электронных компонентах. Катушка индуктивности имеет структуру катушечного типа, как показано на рисунке 3C, которая включает 11 катушек, а ее диаметр начинается с 1 см и увеличивается на 1 см.Ширина линии составляет около 1 мм с погрешностью около 10%, что изменяет межстрочный интервал и мало влияет на электрические измерения. Конденсатор с сэндвич-конфигурацией, как показано на рисунке 1, использует тонкую полиэтиленовую пленку в качестве диэлектрического слоя, который имеет толщину около 10 мкм и эффективную площадь около 3 см × 3 см. На рисунках 5A и 5B представлены значения индуктивности и емкости в зависимости от рабочего времени со скоростью сбора данных 60 с, когда электрические компоненты продолжают работать в течение 48 часов, а вставки показывают небольшое изменение индуктивности и емкости в зависимости от скорость сбора данных 1 с при непрерывной работе электрических компонентов в течение 10 мин.Измерено, что индуктивность и емкость составляют около 0,8386 мкГн и 2,3012 нФ, как измерено цифровым электрическим мостом LCR с частотой измерения и уровнем 100 кГц и 0,3 В соответственно. Индуктивность и емкость напечатанных компонентов имеют погрешность около 3% и 1% из-за влияния неточности в непосредственно записанных линейных размерах, соответственно. Индуктивность и емкость напечатанных компонентов очень стабильны в течение рабочего времени, даже несмотря на то, что все они имеют небольшие колебания, как показано на вставке.Точность индуктивности и конденсатора составляет около 0,043% и 0,25%, что соответствует стандартному отклонению. Кроме того, необходимо уточнить термическую стабильность чернил из-за их низкой температуры плавления. На рисунках 5C и 5D показаны переходная емкость и индуктивность электрических компонентов в зависимости от температуры соответственно. Здесь максимальная температура выбрана равной 60 ° C, которая является верхней безопасной температурой, применяемой к печатным компонентам, ограниченной бумажной основой.Можно видеть, что значения емкости и индуктивности очень стабильны с температурой, даже если электрические компоненты продолжают работать в течение 8 часов при каждой температуре. Низкая температура плавления чернил не влияет на их термическую стабильность, поскольку толщина электрических компонентов выражается в микронах, а чернила не обладают текучестью, структура не может быть легко изменена при повышении рабочей температуры. Кроме того, пленка ПВХ покрыта для защиты электрических компонентов.Следовательно, электрические компоненты, включая конденсатор и катушку индуктивности, прямо написанные на бумаге, обладают хорошей стабильностью и потенциально широко адаптируемыми, особенно при использовании в некоторых высокочастотных цепях.

Рисунок 5. Измерение устойчивости электрических компонентов с помощью цифрового электрического моста.

(A) Индуктивность с катушечной структурой и (B) емкость с сэндвич-конфигурацией - все это прямо написано на бумаге с помощью жидких металлических чернил. (C) - (D) Емкость и индуктивность электрических компонентов как функция температуры соответственно.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069761.g005

Обоснование параметров изготовленных электронных элементов

Исходя из основной концепции, предлагаемой настоящим методом, можно напрямую написать на бумаге различные виды резисторов, конденсаторов и индукторов с желаемой величиной жидкими металлическими чернилами. В таблице 1 приведены основные физические данные трех электрических компонентов. На данном этапе самые тонкие линии, непосредственно написанные на бумаге с использованием жидких металлических чернил на основе GaIn 10 , могут достигать только 0.5 мм в ширину и 10 мкм в толщину. В ближайшем будущем может быть изготовлена ​​ручка с микро- или даже наноразмерным выходом, чтобы писать структуру в довольно мелком масштабе. За исключением геометрических факторов, удельное электрическое сопротивление также можно эффективно изменять, контролируя химические компоненты жидких металлических чернил. Например, измеренное количество наночастиц серебра или меди может быть добавлено в жидкие металлические чернила для приготовления новых жидких металлических чернил с более низким удельным электрическим сопротивлением. Некоторые полупроводниковые наночастицы также могут быть загружены в жидкий металл для создания новых чернил с более высоким удельным сопротивлением или полупроводниковыми характеристиками.

Прямая запись типовой функциональной колебательной схемы на бумаге

Чтобы продемонстрировать возможности изготовления электронных устройств, предлагаемые настоящим подходом к записи, ниже мы разработали типичный функциональный колебательный контур, включающий конденсатор 10 нФ и два резистора 5 кОм и 1 кОм, соответственно, и интегрированную микросхему 74HC04 с напряжение питания 5 В, как показано на рисунке 6А, который представляет электрическую принципиальную схему типичного колебательного контура.Здесь два сопротивления и емкость, включенные в диаграмму, были написаны непосредственно на бумаге проводящим силиконом и жидкими металлическими чернилами на основе GaIn 10 . Как теперь стало понятно из наших измерений, жидкие металлические чернила на основе GaIn 10 , состоящие более чем на 99% из сплава GaIn 10 , обладают лучшими электрическими свойствами, которые показывают удельное электрическое сопротивление около 34,5 мкОм · см при 297 К. с помощью метода четырехточечного зонда. Следовательно, сопротивление, непосредственно написанное с использованием жидких металлических чернил на основе GaIn 10 , очень мало и не может удовлетворить запрос для практических целей.В качестве альтернативы для записи большого резистора на бумаге был выбран имеющийся в продаже проводящий силикон с удельным электрическим сопротивлением 0,02 Ом · см при комнатной температуре. На рис. 6В показана фотография экспериментальной платформы, которая в основном включает колебательный контур, прямо записанный на бумаге, стабилизированный постоянным током источник питания и осциллограф. Для этого колебательного контура прямоугольную волну с частотой колебаний 8,8 кГц можно наблюдать с помощью осциллографа, как показано на рисунке 6C, что хорошо согласуется со значением 9.1 кГц моделируется программным обеспечением моделирования цепей Multisim. Замечено, что в этой схеме все электрические компоненты, включая резистор, конденсатор и проводник, прямо написаны на бумаге, за исключением встроенных микросхем (74HC04). Весь процесс выглядит как масляная картина. Что еще более важно, колебательный контур может работать стабильно без дополнительных помех сигнала.

Рис. 6. Типичный колебательный контур LC, прямо написанный на бумаге.

(A) Электрическая принципиальная схема типичного колебательного контура LC.(B) Палитра, похожая на экспериментальную платформу для прямого написания типичного колебательного контура. Здесь два сопротивления и емкость, включенные в диаграмму, написаны непосредственно на бумаге электропроводящими силиконовыми и жидкометаллическими чернилами на основе галлия соответственно. (C) Осциллограф показывает результат прямоугольной волны с частотой 8,8 кГц. Здесь интегрированная микросхема 74HC04 питается напряжением питания 5 В.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069761.g006

Обсуждение

Ясно, что настоящий метод открывает путь для прямой записи наиболее фундаментальных электрических элементов и, таким образом, для составления сложных схем на различных материалах подложки с различными желаемыми линиями и узорами. Таким образом можно прямо на бумаге записать гораздо более функциональные электрические схемы. На рисунке 7 представлены дополнительные типовые колебательные цепи, которые состоят из трех основных электрических компонентов, как показано выше. Сложные колебательные схемы с различной частотой и волной могут быть записаны на бумаге с использованием жидких металлических чернил на основе GaIn 10 , проводящих силиконовых чернил и некоторых других электрических устройств, таких как интегральные микросхемы, которые были коммерциализированы и широко используются в различных областях.Таким образом, можно видеть, что новый метод и основной принцип имеют общие цели и могут быть распространены на большее количество промышленных и деловых областей, даже на повседневную жизнь. Такая задача записи также может быть доставлена ​​на компьютер в случае, если пользователь не является хорошим писателем или рисовальщиком. Предварительно разработанная компьютерная программа будет управлять принтером, заполненным желаемыми жидкими металлическими чернилами, для непосредственной печати схем. Это может дать толчок развитию бытовой электроники «Сделай сам» в будущем.

Кроме того, как показали вышеупомянутые фундаментальные эксперименты, многие функциональные электрические устройства могут быть изготовлены в соответствии с настоящими основными концепциями.Жидкие металлические чернила на основе GaIn 10 в сочетании с обычными органическими / неорганическими чернилами, такими как композиты на основе проводящих полимеров [23], чернила на основе прозрачных проводящих оксидов (TCO) [34], металлооксидные полупроводниковые чернила P-типа (PMOS) , Металлооксидные полупроводниковые (NMOS) чернила N-типа [35], [36], одностенные углеродные нанотрубки [37], [38] и кремниевые или германиевые полупроводниковые чернила [39], могут использоваться для непосредственного письма другие более функциональные устройства на бумаге или на некоторых других материалах подложки с мягкими или жесткими свойствами.

В данной работе проводящие линии и узоры прямо написаны на бумаге кистью и маской. На основе маски форма и размеры разработанных линий и узоров могут быть точно написаны на подложках с помощью пера-кисти. Однако есть некоторая неточность в ширине и толщине линий, непосредственно написанных от руки. Причина заключается в том, что размер кончика пера, смачиваемость и вязкость чернил GaIn 10 , толщина маски и давление, оказываемое на подложку, являются основными факторами, влияющими на разрешение, шероховатость края и толщина линии токопроводящего рисунка.Чтобы удовлетворить потребности в дополнительной точности и микро / наноустройствах, следует также изучить несколько способов печати, таких как трафаретная печать, 3D-печать, лазерная печать, струйная печать и т. Д. В частности, особого внимания заслуживает струйная печать - бесконтактная технология печати, которая широко используется в настольных издательских системах. Следовательно, различные факторы жидких металлических чернил, такие как смачиваемость, вязкость, проводимость и т. Д., Должны быть исследованы и отрегулированы, чтобы обеспечить работу струйного принтера.Ясно, что в ближайшее время в этом направлении срочно потребуются колоссальные усилия.

Выводы. Такой материал, остающийся в полужидком состоянии около комнатной температуры, может быть непосредственно нанесен на различные мягкие или жесткие материалы благодаря его хорошо контролируемой смачиваемости.Концептуальные эксперименты продемонстрировали хорошую стабильность и потенциальную широкую адаптируемость изготовленных электронных компонентов, особенно при использовании в некоторых высокочастотных цепях. Следовательно, стоит упомянуть, что знаковая область прямой интеграции функциональных схем на бумаге или нескольких подложках с использованием жидкого металла комнатной температуры и соответствующих чернил находится в стадии инкубации.

Благодарности

Авторы выражают признательность профессору Исинь Чжоу за ценные обсуждения.Сяомин Янь и г-н Шэнфу Мэй из Технического института физики и химии Китайской академии наук.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: JL YXG. Проведены эксперименты: YXG. Проанализированы данные: YXG HYL JL. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты для анализа: YXG JL. Написал статью: YXG JL.

Список литературы

  1. 1. Тай Ю.Л., Ян З.Г. (2011) Изготовление проводящих рисунков на бумажной основе для гибкой электроники путем прямой записи.J Mater Chem 21: 5938–5943.
  2. 2. Tai YL, Yang ZG, Li ZD (2011) Многообещающий подход к проводящим структурам с высокой эффективностью для гибкой электроники. Appl Surf Sci 257: 7096–7100.
  3. 3. Ким Н.С., Хан К.Н. (2010) Будущее прямого письма. J Appl Phys 108: 102801–1-102801-6.
  4. 4. Гейтс Б.Д. (2009) Гибкая электроника. Наука 323: 1566–1567.
  5. 5. Де С., Хиггинс Т.М., Лайонс П.Е., Доэрти Е.М., Нирмалрадж П.Н. и др.(2009) Сети из серебряных нанопроволок в виде гибких, прозрачных, проводящих пленок: чрезвычайно высокое отношение постоянного тока к оптической проводимости. ACS Nano 3: 1767–1774.
  6. 6. Chun KY, Oh Y, Rho J, Ahn JH, Kim YJ и др. (2010) Композитные пленки углеродных нанотрубок и серебра с высокой проводимостью, пригодные для печати и растягивающиеся. Nat Nanotechno 5: 853–857.
  7. 7. Yu ZB, Li L, Zhang QW, Hu WL, Pei QB (2011) Композитные электроды из серебряных нанопроволок и полимера для эффективных полимерных солнечных элементов.Adv Mater 23: 4453–4457.
  8. 8. Секитани Т., Йокота Т., Зшишанг У., Клаук Х., Бауэр С. и др. (2009) Транзисторы с органической энергонезависимой памятью для гибких матриц датчиков. Наука 326: 1516–1519.
  9. 9. Park SI, Xiong Y, Kim RH, Elvikis P, Meitl M и др. (2009) Печатные сборки неорганических светодиодов для деформируемых и полупрозрачных дисплеев. Science 325: 977–981.
  10. 10. Fan ZY, Ho JC, Takahashi T., Yerushalmi R, Takei K и др.(2009) К разработке печатной электроники и датчиков на основе нанопроволоки. Adv Mater 21: 3730–3743.
  11. 11. Jurchescu OD, Hamadani BH, Xiong HD, Park SK, Subramanian S, et al. (2008) Корреляция между микроструктурой, электронными свойствами и фликкер-шумом в органических тонкопленочных транзисторах. Appl Phys Lett 92: 132103.
  12. 12. Jurchescu OD, Popinciuc M, Wees BJ, Palstra TTM (2007) Управляемые интерфейсом, высокомобильные органические транзисторы. Adv Mater 19: 688–692.
  13. 13. Fan ZY, Razavi H, Do JW, Moriwaki A, Ergen O и др. (2009) Трехмерные фотоэлектрические элементы на основе наностолбиков на недорогих и гибких подложках. Nat Mater 8: 648–653.
  14. 14. Юн Дж., Бака А.Дж., Пак С.И., Элвикис П., Геддес Дж. Б. и др. (2008) Ультратонкие кремниевые солнечные микроэлементы для конструкций полупрозрачных, механически гибких и микроконцентрационных модулей. Nat Mater 7: 907–915.
  15. 15. Никитин П.В., Лам С., Рао КВС (2005) Недорогие антенны RFID-меток с серебряными чернилами.In Antennas and Propagation Society International Symposium 2B: 353–356.
  16. 16. Ху Л.Б., Ву Х., Мантия Ф.Л., Ян Я., Цуй Й. (2010) Тонкие гибкие вторичные литий-ионные бумажные батареи. ACS Nano 4: 5843–5848.
  17. 17. Ху Л. Б., Чхве Дж. В., Ян И, Чон С., Мантия, Флорида и др. (2009) Высокопроводящая бумага для устройств хранения энергии. Proc Nat Acad Sci 106: 21490–21494.
  18. 18. Ан BY, Duoss EB, Motala MJ, Guo XY, Park SI и др. (2009) Всенаправленная печать гибких, растягиваемых и растягивающихся серебряных микроэлектродов.Наука 323: 1590–1593.
  19. 19. Коэн-Карни Т., Тимко Б.П., Вайс Л.Е., Либер С.М. (2009) Гибкая электрическая запись из ячеек с использованием массивов транзисторов с нанопроволокой. Proc Nat Acad Sci 106: 7309–7313.
  20. 20. Siegel AC, Phillips ST, Dickey MD, Lu NS, Suo ZG и др. (2010) Складные печатные платы на бумажной основе. Adv Funct Mater 20: 28–35.
  21. 21. Ямада Т., Хаямизу Ю., Ямамото Ю., Йомогида Ю., Изади-Наджафабади А. и др. (2011) Растягивающийся датчик деформации углеродных нанотрубок для обнаружения движения человека.Nat Nanotechnol 6: 296–301.
  22. 22. Aernouts T, Vanlaeke P, Geens W., Poortmans J, Heremans P и др. (2004) Аноды для печати для гибких органических модулей солнечных элементов. Тонкие твердые пленки 451–452: 22–25.
  23. 23. Eom SH, Senthilarasu S, Uthirakumar P, Yoon SC, Lim J, et al. (2009) Полимерные солнечные элементы на основе нанесенного струйной печатью слоя PEDOT: PSS. Org Electron 10: 536–543.
  24. 24. Рида А., Ян Л., Вяс Р., Тенцерис М. М. (2009) Проводящие антенны с струйной печатью на гибких недорогих бумажных носителях для приложений RFID и WSN.Распространение антенн IEEE Mag 51: 13–23.
  25. 25. Martinez AW, Phillips ST, Butte MJ, Whitesides GM (2007) Бумага с рисунком как платформа для недорогих портативных биотестов небольшого объема. Angew Chem Int Ed. 46: 1318–1320.
  26. 26. Маккомб Д. ​​(1998) Галлиевые реставрационные материалы. J Can Dent Assoc 64: 645–647.
  27. 27. Кага М., Накадзима Х., Сакаи Т., Огучи Х. (1996) Галлиевые реставрации молочных зубов: 12-месячное исследование. J Am Dent Assoc 127: 1195–1200.
  28. 28. Gao YX, Liu J (2012) Термоинтерфейсный материал на основе галлия с высокой податливостью и смачиваемостью. Appl Phys A 107: 701–708.
  29. 29. Sun Y, Xia Y (2002) Синтез наночастиц золота и серебра с контролируемой формой. Наука 298: 2176–2179.
  30. 30. Пятенко А., Ямагучи М., Сузуки М. (2007) Синтез сферических наночастиц серебра с контролируемыми размерами в водных растворах. J. Phys Chem. C 111: 7910–7917.
  31. 31. Руссо А., Ан Б., Адамс Дж. Дж., Дуосс Э. Б., Бернхард Дж. Т. и др.(2011) Ручка на бумаге гибкая электроника. Adv Mater 23: 3426–3430.
  32. 32. Blaiszik BJ, Kramer SLB, Grady ME, McIlroy DA, Moore JS и др. (2012) Автономное восстановление электропроводности. Adv Mater 24: 398–401.
  33. 33. Gao YX, Li HY, Liu J (2012) Прямая запись гибкой электроники с помощью жидких металлических чернил комнатной температуры. PLoS ONE 7 (9): e45485.
  34. 34. Jeong JA, Lee J, Kim H, Kim HK, Na SI (2010) Прозрачный электрод, напечатанный струйной печатью с использованием наноразмерных частиц оксида индия и олова для органических фотоэлектрических элементов.Sol Energy Mater Sol Cells 94: 1840–1844.
  35. 35. Seo SJ, Choi CG, Hwang YH, Bae BS (2009) Высокоэффективный тонкопленочный транзистор из аморфного оксида цинка и олова, обработанный на растворе. J. Phys D 42: 035106.
  36. 36. Kim D, Jeong Y, Song K, Park SK, Cao GZ и др. (2009) Тонкопленочный транзистор на основе оксида цинка и олова, нанесенный струйной печатью. Langmuir 25: 11149–11154.
  37. 37. Green AA, Hersam MC (2008) Цветные полупрозрачные проводящие покрытия, состоящие из монодисперсных металлических однослойных углеродных нанотрубок.Nano Lett 8: 1417–1422.
  38. 38. Miyata Y, Yanagi K, Maniwa Y, Kataura H (2008) Сильно стабилизированная проводимость металлических тонких пленок из одностенных углеродных нанотрубок. J. Phys Chem. C 112: 3591–3596.
  39. 39. Holman ZC, Liu CY, Kortshagen UR (2010) Тонкопленочные полевые транзисторы с нанокристаллами германия и кремния из раствора. Nano Lett 10: 2661–2666.
Переходная характеристика конденсатора

| Постоянные времени RC и L / R

Поскольку конденсаторы накапливают энергию в виде электрического поля, они имеют тенденцию действовать как небольшие батареи вторичных элементов, способные накапливать и выделять электрическую энергию.Полностью разряженный конденсатор поддерживает нулевое напряжение на своих выводах, а заряженный конденсатор поддерживает постоянное напряжение на своих выводах, как аккумулятор.

Когда конденсаторы помещаются в цепь с другими источниками напряжения, они будут поглощать энергию из этих источников, так же, как батарея вторичных элементов будет заряжаться в результате подключения к генератору. Полностью разряженный конденсатор, имеющий нулевое напряжение на клеммах, первоначально будет действовать как короткое замыкание при подключении к источнику напряжения, потребляя максимальный ток, когда он начинает накапливать заряд.

Со временем напряжение на клеммах конденсатора повышается, чтобы соответствовать приложенному напряжению от источника, и ток через конденсатор соответственно уменьшается. Как только конденсатор достигнет полного напряжения источника, он перестанет потреблять ток от него и будет вести себя как разомкнутая цепь.

Когда переключатель в первый раз замкнут, напряжение на конденсаторе (который, как нам сказали, был полностью разряжен) составляет ноль вольт; таким образом, сначала он ведет себя так, как если бы произошло короткое замыкание.Со временем напряжение на конденсаторе повысится до напряжения батареи, что приведет к возникновению состояния, когда конденсатор ведет себя как разомкнутая цепь.

Ток в цепи определяется разницей напряжения между батареей и конденсатором, деленной на сопротивление 10 кОм. Когда напряжение конденсатора приближается к напряжению батареи, ток приближается к нулю. Как только напряжение на конденсаторе достигнет 15 вольт, ток будет точно равен нулю. Давайте посмотрим, как это работает, используя реальные значения:

Время (секунды) Напряжение аккумулятора Напряжение конденсатора Текущий
0 15 В 0 В 1500 мкА
0.5 15 В 5,902 В 909,8 мкА
1 15 В 9,482 В 551,8 мкА
2 15 В 12,970 В 203,0 мкА
3 15 В 14,253 В 74.68 мкА
4 15 В 14,725 В 27,47 мкА
5 15 В 14.899 В 10.11 мкА
6 15 В 14.963 В 3,718 мкА
10 15 В 14,999 В 0,068 мкА

Приближение напряжения конденсатора к 15 вольт и приближение тока к нулю с течением времени - это то, что математик назвал бы асимптотикой : , то есть они оба приближаются к своим конечным значениям, приближаясь со временем все ближе и ближе, но никогда точно не достигают их пункты назначения.Однако для всех практических целей мы можем сказать, что напряжение конденсатора в конечном итоге достигнет 15 вольт, а ток в конечном итоге станет равным нулю.

Используя программу анализа цепей SPICE, мы можем изобразить это асимптотическое нарастание напряжения конденсатора и спад тока конденсатора в более графической форме (ток конденсатора отображается как падение напряжения на резисторе, используя резистор в качестве шунта для измерения тока). ):

Как видите, я использовал .plot в список соединений вместо более знакомой команды .print . Это создает псевдографический график фигур на экране компьютера с использованием текстовых символов. SPICE строит графики таким образом, что время находится по вертикальной оси (идет вниз), а амплитуда (напряжение / ток) откладывается по горизонтали (справа = больше; слева = меньше).

Обратите внимание, как напряжение сначала увеличивается (справа от графика) очень быстро, а затем постепенно спадает. Ток также сначала изменяется очень быстро, затем со временем стабилизируется, но он приближается к минимуму (слева от шкалы), в то время как напряжение приближается к максимуму.

ОБЗОР:

  • Конденсаторы действуют как батареи вторичных элементов, когда сталкиваются с внезапным изменением приложенного напряжения: они сначала реагируют, производя большой ток, который со временем уменьшается.
  • Полностью разряженный конденсатор первоначально действует как короткое замыкание (ток без падения напряжения) при внезапном приложении напряжения. После полной зарядки до этого уровня напряжения он действует как разомкнутая цепь (падение напряжения при отсутствии тока).
  • В цепи зарядки резистор-конденсатор напряжение конденсатора изменяется от нуля до полного напряжения источника, в то время как ток идет от максимума до нуля, причем обе переменные сначала изменяются наиболее быстро, а с течением времени приближаются к своим конечным значениям все медленнее и медленнее.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Силовая электроника

- конденсатор регулятора напряжения предотвращает срабатывание одной кнопки на выключенной цепи

силовая электроника - конденсатор регулятора напряжения предотвращает срабатывание одной кнопки на выключенной цепи - Электротехника
Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange
  1. 0
  2. +0
  3. Авторизоваться Подписаться

Electrical Engineering Stack Exchange - это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил

Просмотрено 211 раз

\ $ \ begingroup \ $

Я использую эту схему для включения и выключения системы.

Блок питания 12 В. Я использую LM2576 для уменьшения напряжения до 5 В. Вот схема:

Сначала я построил схему включения-выключения, также я добавил светодиод на 12 В, и схема включения-выключения работает хорошо. Затем я добавил схему регулятора напряжения и цепь включения-выключения перестала работать. Он просто включает систему при первом нажатии, а затем всегда остается включенной. Когда я снимаю конденсаторы регулятора напряжения, цепь включения-выключения продолжает работать.

Я хотел бы знать, в чем причина этой проблемы и как ее исправить?

edit: Это моя схема.

Создан 17 апр.

км-74км-74

344 бронзовых знака

\ $ \ endgroup \ $ 3 \ $ \ begingroup \ $

У меня есть 3 возможных решения:

  1. Я думаю, что причина, по которой он не работает с регулятором, заключается в том, что для работы этого переключателя требуется резистивная / линейная нагрузка, а точнее менее 0.6 В на выходе нагрузки, чтобы выключить его, когда вы нажмете кнопку, чтобы выключить его.
    Это связано с тем, что для отключения PNP-транзистора (T1) его база должна быть меньше -0,6 В по сравнению с его эмиттером или почти на том же потенциале, что и эмиттер.
    Хотя это не объясняет, как светодиод будет работать при подключении в качестве нагрузки, поскольку он нелинейный и имеет падение напряжения не менее 1,5 В, но я подозреваю, что LM2576 также действует как нелинейная нагрузка, которая требует минимальное напряжение (например, может быть 2 В), чтобы начать проводить больше нескольких микроампер.
    Я нашел страницу автора схемы, и он, очевидно, использует линейную / резистивную нагрузку (лампа накаливания):
    http://danyk.cz/zap-vyp_en.html
    - Мое первое предложение - попробовать разместить резистор (возможно, 10 кОм) на выходе нагрузки переключателя, чтобы довести напряжение на его выводах до 0, когда он выключен.

  2. Увеличьте значение C1 до 220 нФ или просто еще на 100 нФ параллельно с существующим. Это может потребоваться для уменьшения емкости полевого МОП-транзистора, как предлагает автор на своей странице.

  3. Вы можете использовать функцию цифрового переключателя LM2576 (на контакте 5) вместе со схемой переключателя, сначала поместив резистор 10 кОм на выход переключателя (+ и -), отключив контакт 5 LM2576 от земли и подключив его к отрицательной клемме. (-) вывод вашего переключателя. + Vin (контакт 1) и GND (контакт 3) LM2576 будут напрямую подключаться к источнику 12 В.
    Единственная «проблема», которая может возникнуть у вас при таком расположении, состоит в том, что регулятор включится, как только вы подключите источник питания 12 В, но вы сможете выключить и включить его после этого.
    Это решение было бы лучше с точки зрения потери мощности при включении, потому что MOSFET упадет примерно на 0,27 В при 1 А и рассеивает примерно 0,27 Вт, если вся выходная мощность будет подключена к нему, и почти не будет потрачено впустую. питание, если используется штифт переключателя LM2576.
    ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ причина, по которой это решение было бы лучше, заключается в том, что у вас будет общая земля для источника питания и выхода регулятора. В противном случае выходное заземление будет плавающим и будет обходить ваш переключатель, если оно коснется заземления источника питания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *