关于Simple Joule Theif Curcuit 电路的两个提问

Posted 2022-02-17 卓晴

简 介： 由于电路中存在电感，电容，使得电路从静态电路变成动态电路，因此对于电路分析也带来了复杂。灵活应用电感、电容的特性，比如电感电流不能突变，电容电压不能突变可以帮我我们提高对于动态电路的认知能力。

关键词： 动态电路，振荡电路

 

§01 提  问

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  卓大，学习了 您的文章 ，发现有两点没讲透:

  1、该电路首次上电的暂态分析
  2、电感通过LED放电那个阶段，当电感电流为0时，T1集电极电压扔大于1.5V，然后C1通过电感，电源，T2发射结形成回路放电，在C1放电阶段，T1集电极≥1.5V，理应维持T2导通，为什么会使T2翻转呢？

▲ 图1.1 焦耳偷电电路

 

§02 回  复

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2.1 首次上电分析

  由于在 简单震荡升压电路 中由于存在着稳定状态，所以如果没有上电启动过程，这个电路可能是无法开始震荡的。

  首次上电意味着电路从零状态（电路中的储能器件状态为零，电感 $L_1$ 电流为0，电容 $C_1$ 的电压为0），工作电压从 0V开始逐步上升到 1.5V。

  当工作电压小于0.6V（即小于晶体管基极导通电压），两个晶体管（ $T_1,T_2$ ）都处于截止状态。随着工作电压增大， 电源电压分别通过 $R_2,R_1,L_1$ 给 $T_1,T_2$ 的基极提供偏置，使得 $T_1,T_2$ 逐步从截止转换到恒流放大状态。 由于 $T_1,T_2$ 的基极分别连接到对方的集电极，闭环是正反馈。一旦 $T_1,T_2$ 组成的电路放大倍数的乘积（闭环增益）大于1，电路就开始震荡。

  注意，在这个时候，电路还属于小信号线性放大震荡电路，不存在稳态，所以启动过程一定时震荡的。

  下图显示了工作电压从小到大增加过程，电路从小信号正弦震荡过渡到多谐振荡过程。

▲ 图2.1.1 逐步增加工作电压，电路从正弦震荡过度到多谐振荡

  由于在电路中存在着 $L_1,C_1$ 谐振回路，在开始小信号震荡时，电路属于LC选聘正线震荡模式。所以振荡频率与 $L_1,C_1$ 对应的谐振频率相一致。

  下图测量了电路电压在0.6V下，T1，T2集电极电压信号。此时电路还是正弦震荡信号，频率为907kHz。

▲ 图2.1.2 电路在工作电压0.6V下的正线震荡

  随着工作电压增加，T1的集电极信号电压峰值超过LED的导通电压，震荡模式开始过渡到多谐振荡。

  通过上面分析可以知道电路只要是从0V开始上电，电路从截止状态首先进入现行工作模式，开始震荡，然后过渡到多谐振荡模式。

2.2 为什么电路会从稳态返回到非稳态？

  你关于电路在T1截止，T2导通（稳态）的后半段，电容C1通过L1往电源放电的过程中，似乎T1的集电极电压始终还大于1.5V，为什么T2从饱和状态翻转到截止状态呢？

  这个问题的确很迷惑人的。我开始对此也是百思不得其解。特别是下面，我将电路中的C1从220，修改到222，测量电路中T1集电极（青色），T2集电极（橙色），T2基极（绿色）电压信号波形。

▲ 图2.2.1 当C1取222时，对应的T1,T2集电极电压，T2基极电压波形

  这个过程反映了T1截止过程，对应的T1集电极电压上升超过3V，此时电路中白色LED点亮。随着电感对LED放电，LED上的电流逐步减小，对于LED上的电压（也就是T1集电极电压信号）渐渐下降，但始终这个电压都是高于3V的。那么为什么在 $4\\mu s$ 左右的时候，T1开始导通使得T1集电极电压（青色）下降了呢？

  如果你观察上图中T1的集电极电压（青色）与T2基极电压（绿色）的波形，在对应的 $0\mu s$ 时间坐标之后，它们的波形曲线除了上下相差3V左右之外，变化曲线几乎是一模一样的。特别是，T2的基极电压居然能够从0.7V一直能够下降到-2.3V，下降的幅度与T1集电极电压下降的幅度是一样的。

  这是为啥？这是由于电容C1两端电压不能够突变，使得T1集电极电压直接施加到T2基极上的作用，而不是T1基极电压通过R1在T2内部基级电阻上的分压。这就解释了为什么T1集电极电压高于1.5V，T2基极电压已经为负值的原因了。

  你可以查看上图实测信号中，对应 $4\mu s$ 时间坐标，T1集电极电压大约在1.5V，对应的T2基极电压已经在-0.5V了。这是C1电容将T1集电极电压变化耦合到T2基极上的结果。

2.3 电感充电与放电过程

  在T1 截止时，对应的集电极电压超过3V，这是电感将磁场储能对外放电过程，在T1导通时，对应集电极电压小于1.5V，此时对应电感吸收电源电能并存储在电感磁场中。这两个过程的能量是保持平衡的。

  从文图给出实测曲线中，可以看到引起T1集电极电压下降，首先是电感储能释放完毕，无法在维持T1集电极高电压，所以引起电压突降。这个突降的信号通过C1直接作用在T2的基极上，使得基极电压产生突降，从而使得T2退出饱和，进入放大状态。

▲ 图2.2.2 电感充电与放电过程

  后面过程则是利用电路正反馈耦合使得T1迅速进入饱和，T2进入截止状态。

  T1处在饱和过程，经过大约 $8\mu s$ ，电源电压在L1（$100\mu H$ ）上产生大约124mA电流，此时T1进入恒流状态。T1的集电极电压逐步上升到1.5V。这个电压经过R1对C1上的电压进行释放和充电，逐步上升到0.7V左右，使得T2从截止状态退回到放大状态，从而再次引起电路的翻转。

 

※ 总  结 ※

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  由于电路中存在电感，电容，使得电路从静态电路变成动态电路，因此对于电路分析也带来了复杂。灵活应用电感、电容的特性，比如电感电流不能突变，电容电压不能突变可以帮我我们提高对于动态电路的认知能力。

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■ 相关文献链接:

• 到底这个电路是如何振荡的？

● 相关图表链接:

• 图1.1 焦耳偷电电路
• 图2.1.1 逐步增加工作电压，电路从正弦震荡过度到多谐振荡
• 图2.1.2 电路在工作电压0.6V下的正线震荡
• 图2.2.1 当C1取222时，对应的T1,T2集电极电压，T2基极电压波形
• 图2.2.2 电感充电与放电过程