電路圖
仿真輸出
結合模擬輸出說明電路工作原理:
3條曲線分別為
- 綠色V(n003): 右側輸出負載R2兩端電壓
- 紅色V(n005): Q1基極電壓
- 藍色I(L2): 線圈L2電流
- 電源電壓從0us-20us, 從0V線性增長至6V
振盪電路工作分為3個階段:
- 階段1: 隨電源電壓上升, L2最大電流持續上升, 產生輕微振盪, Q1基極電壓有輕微變化
- 階段2: 電源電壓穩定后, L2最大電流不再上升, 振盪逐漸放大, Q1基極電壓變化加大, 負向毛刺開始放大
- 階段3: L2電流全幅振盪, 振盪幅度保持穩定, Q1基極的負向毛刺最低點穩定
階段3之后, 振盪電路運行在正常工作狀態
工作原理
電路振盪過程的分析
- 電路初始狀態, 電流均為0
- 電源電壓通過L1和R1加到Q1的基極, 當Q1基極出現正電壓后, Q1導通
- Q1導通后, V1通過L2和R3, 流向V1負極
- L2,R3電流增大
- L1感應到的正向電動勢增大, Q1基極電壓上升
- L2,R3電流進一步增大, L1感應的正向電動勢達到最大, Q1基極電壓到達高點
- L2,R3電流增速變緩, L1感應的正向電動勢減小, Q1基極電壓下降
- Q1基極電壓恢復至中值, L2,R3電流達到高點
- L2,R3電流減小
- L1感應到的反向電動勢增大, Q1基極電壓降低
- L2,R3電流進一步減小, L1感應的反向電動勢增大, Q1基極電壓到達臨界點
- Q1截止, 這時候L2,R3電流驟然歸零, 會在L1和L3都感應出很大的負電壓, Q1基極電壓出現低壓峰值, 這時候L2,R3電流是最低點, 因為歸零了
- L1不再感應出負電壓, Q1基極電壓恢復至臨界點之上, Q1開始導通, L2,R3出現電流
- L2,R3電流增大, 進入下一個循環
理解要點
- Q1基極電壓正常會穩定在0.7V - 0.8V附近
- L2中的電流變化會在L2上感應到電壓, 注意是電流的變化
- 自感電動勢的方向總是與磁通量的變化趨勢相反, 所以L1的感應電壓總是阻礙L2的電流變化
- L2電流增大會在L1產生正向電壓(L1的R1端往V1端), L2電流減小會在L1產生反向電壓; L2電流在高值和低值時變化都是趨近於0, 所以這兩點在L1上感應的電壓為0
- L1感應到正向電壓, 會使得Q1基極電壓小幅升高. 反之感應到反向電壓, 會使得Q1基極電壓小幅降低
- Q1基極電壓的變化, 經過放大作用, 又會引起L2,R3的電流大小變化
- Q1基極電壓跌落到臨界電壓之下時Q1截止, 此時驟降的L2電流會在L1和L3都產生很大的電動勢
下圖是Q1基極電壓與L2電流調整坐標軸比例后對比得到的圖像
- L2電流增大最快時出現L1電壓的高點(正電壓), L2電流減小最快時出現L1電壓的低點(負電壓), 此時基極電壓最低
- L2電流增大最快時出現R1電壓的低點, L2電流減小最快時出現R1電壓的高點
進入了穩定振盪. 每一次在L2,R3的電流即將達到峰值時, Q2基極上的額外電壓就會消失, 這會導致L2,R3電流加速減小, 而電流的迅速減小使得L1感應出反向電壓使得Q1基極出現負電壓, 伏電壓導致Q1截止, 此時L2,R3電流歸零, L1在出現負電壓峰值后電壓突然消失, Q1基極恢復正電壓, L2,R3電流重新爬升, 由此周而復始.
元件參數
- L1: L1匝數不能太小, 太小感應電壓太小無法起振, 也不能太大, 太大會導致負電壓峰值增大, 太大的負電壓有可能會損壞三極管, 控制在電壓為5V以內, 可以根據電源電壓與L2匝數計算, 一般取L2匝數的1/3
- L2: L2匝數的大小會影響起振后的頻率, L2越小, 起振頻率越高, 但是右側的輸出越低, L2如果太大, 一是內阻增大增加損耗, 二是超出L1太多會導致無法起振, 這是L2電流有振盪但是Q1無截止動作, 會一直存在正電流, 增加損耗
- L3: L3匝數一方面決定了感應的電壓, L3越大電壓越大但是內阻也越大, 另一方面受負載R2的影響, 如果R2太小, 則L3太大無法負擔此電流, 會導致左側無法進入完全振盪, 出現發熱損耗. 此時需要降低L3降低輸出電壓, 或提高R2降低電流, 才能使振盪回歸正常.
- R1: R1為串聯在基極上的保護電阻, 其大小也會影響起振后的頻率, R1越大, 起振頻率越高, L2的工作電流越低, L3輸出也越低; R1不能太低, 太低雖然頻率低, 但是L2電流大, 每次峰值能量會導致L1正反向都感應出很大的電壓, 容易損壞Q1, R1取值在1k - 2k歐之間.
- R2: R2為負載電阻, R2值會直接影響R2兩端采集到的電壓, 同時會影響左側的振盪頻率, R2越小, 電壓越低, 振盪頻率越高, 越快進入最大振幅. 取決於R3的大小, 當R2低於某個值時(例如R3 40, R2 5K), 輸出電壓無法有效升壓. R2一般為阻值100K以上的低功耗元件.
- R3: R3的大小也會影響起振后的頻率, R3越小, 起振頻率越高, L3輸出越高, R3增大會增加熱損耗, R3太大會導致無法起振, 實際使用中取值很小, 在0-5歐之間.
實際測試
- 變壓器: 尺寸為EE13, 3+3pin, 繞組分別為L1(0.25mm, 10匝), L2(0.15mm, 37匝), L3(0.07mm, 1300匝)
- 三極管: D882
- 其他: R1(1.4K), R2(開路), R3(1.2), D1(1N4007), C1(223, 1KV)
L3的內阻有150歐, 使用電源3.3V進行測試, 在C1兩端測得電壓240V
實際測試中
- 電源使用5V, 輸出電壓並不比使用3.3V電壓時高.
- 在R2上增加負載, 電壓下降明顯. 開路電壓330V, 加上1M歐的R2, 電壓降到220V
- R3的阻值降為0(即將R3短路)后, 電路依然正常工作, 三極管並未過流, 這樣節約了R3上的損耗, 電路效率更高
- R1的阻止從1.4K歐開始, 越大電路的功率越低, 振盪頻率越高, 初始時為18KHz, 在2K歐時為22KHz, 3K歐時為45KHz. 同時R2上的電壓越低
- R2為1M歐時, 整個電路的功率為1W - 3W