Самченко Р. П., д. т. н. Стадник Б. І.
Національний університет «Львівська політехніка», Україна
Реалізація методу ступінчастої зміни резонансної частоти коливного контуру за допомогою
аналогових ключів на мдн-транзисторах
В останні роки по всьому світу, зокрема і в Україні, широко досліджуються композити гідрогелів з наночастинками магнетних матеріалів. Вони застосовуються для лікування онкологічних захворювань з використанням методу магнетної гіпертермії, яка відома своєю дієвістю та нетоксичністю , у порівнянні з іншими методами, такими як хіміотерапія та променева терапія. Метод магнетної гіпертермії полягає нагріві за допомогою наночастинок магнетних матеріалів уражених онкологічним захворюванням тканин. Наночастинки магнетних матеріалів (НММ) можна нагрівати за допомогою зовнішнього змінного магнетного поля до необхідної температури. Нагрів відбувається внаслідок втрат потужності на гістерезис та релаксацію.
Для запобігання при такому лікуванні перегріву тканин вище 43 ° C , що може спричинити токсичний для організму розпад ракових клітин – некроз, необхідно проводити лабораторні випробування даних матеріалів перед їх клінічним застосуванням. З цією метою створюються спеціальні дослідні устави, які дають можливість здійснювати нагрів наночастинок магнетних матеріалів та вимірювати їх параметри, зокрема потужності магнетного поля на нагрів дослідного зразку.
Вчені, що експериментально вивчають властивості даних матеріалів, зазвичай збирають свої дослідні устави з окремих модулів. Типовими складовими частинами такої конструкції є індукційний нагрівник, дослідний зразок в теплоізоляції та термометр [1] . Дослідний зразок знаходиться в центрі соленоїда, всередині якого, при протіканні струму, створюється магнетне поле. Основними частинами індукційного нагрівника є конденсаторна батарея разом з соленоїдом, що складають резонансний контур, коливання у якому збуджує інвертор.
Метою даної роботи є стислий опис реалізації методу ступінчастої зміни частоти такого резонансного контуру з використанням аналогових ключів на МДН-транзисторах , що може бути застосованим для експериментального визначення залежностей втрат на нагрів наночастинок магнетних матеріалів від частоти.
Коливний контур в даній експериментальній уставі доцільно реалізувати як реактивний триелементний двополюсник, що складається з паралельно з’єднаних індуктивності L 0 та ємності C (в даному випадку – еквівалентної ємності батареї конденсаторів), що послідовно підключені до ще однієї індуктивності L дод = L 1 + L 2 (рис. 1).
Рис. 1 . Реактивний триелементний двополюсник: паралельне з’єднанням ємності
та індуктивності, що послідовно приєднані до другої індуктивності
При такій організації контуру резонанс настає на коловій частоті ω 0 , яка виражається формулою [2 , с. 199 ] :
. (1)
Будова комутуючих ключів. В даній системі комутація конденсаторів можна здійснювати за допомогою аналогових ключів за схемою, представленою на рис. 2. Як ключ, обрано зустрічне з’єднання двох n -канальних МДН-транзисторів з ізольованим затвором (англ. MOSFET ) «джерело-до-джерела», яке дозволяє здійснити комутацію змінних напруг. Ключ на одному МДН-транзисторі може комутувати напругу лише однієї полярності. У включенні «джерело-до-джерела» внутрішні діоди МДН-транзисторів блокують один одного від провідності у зворотному напрямку і канали таких транзисторів можуть працювати як двонаправлений ключ, зокрема комутувати і змінні напруги (Рис. 2, а) [3] . Керування здійснюється за допомогою мікросхеми фотоелектричного ізолятора ( ФЕІ , англ. photovoltaic isolator ( PVI )), напр. VOM 1271 або PVI 1050.
Рис. 2 . а) З’єднання МДН-транзисторів «джерело-до-джерела»;
б) схема керування МДН-транзистором за допомогою фотоелектричного ізолятора [3]
Критерії до вибору таких МДН-транзисторів є доволі суворими: вони повинні мати водночас високу напругу пробою між джерелом та стоком U BRDS (для стійкості ключа до високої напруги, яка спадає на ньому в закритому стані при протіканні високого струму по навою), високий допустимий струм каналу I DS та малий опір каналу у відкритому стані R DS ( on ) (для якомога слабшого впливу активного опору ключа на добротність коливного контуру).
При дотриманні таких критеріїв, можна добитись протікання доволі високих струмів в контурі без високих втрат потужності на ключах.
Подальші дослідження будуть спрямовані на реалізацію алгоритмів мікропроцесорного керування аналоговими ключами для досягнення якомога більшої кількості частот при тій самій кількості гілок з ємностями, а також методу мікропроцесорного контролю амплітуди струму в контурі.
Список використаних джерел:
1. Зернов Н . В . Теория радиотехнических цепей / Н. В. Зернов, В. Г. Карпов . – М. , Л.: Энергия , 1965. – 892 с.
2. Cамченко Р. П. Теплочутливі композити з феромагнітними наночастинками для медичних цілей ( Огляд устав для дослідження теплових характеристик нанокомпозитів) / Р. П. Самченко // Вимірювальна техніка та метрологія . – 2011. – № 72. – С. 142 – 147 .
3. Dapkus D. A. Using MOS-Gated Power Transistor in AC Switch Applications [ Електронний ресурс ] / D. A. Dapkus // International Rectifier Design Tips. – 1994. – Режим доступу : http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt94-5.pdf