电路图

仿真输出

结合模拟输出说明电路工作原理:
3条曲线分别为

• 绿色V(n003): 右侧输出负载R2两端电压
• 红色V(n005): Q1基极电压
• 蓝色I(L2): 线圈L2电流
• 电源电压从0us-20us, 从0V线性增长至6V

振荡电路工作分为3个阶段:

• 阶段1: 随电源电压上升, L2最大电流持续上升, 产生轻微振荡, Q1基极电压有轻微变化
• 阶段2: 电源电压稳定后, L2最大电流不再上升, 振荡逐渐放大, Q1基极电压变化加大, 负向毛刺开始放大
• 阶段3: L2电流全幅振荡, 振荡幅度保持稳定, Q1基极的负向毛刺最低点稳定
  阶段3之后, 振荡电路运行在正常工作状态

工作原理

电路振荡过程的分析

1. 电路初始状态, 电流均为0
2. 电源电压通过L1和R1加到Q1的基极, 当Q1基极出现正电压后, Q1导通
3. Q1导通后, V1通过L2和R3, 流向V1负极
4. L2,R3电流增大
5. L1感应到的正向电动势增大, Q1基极电压上升
6. L2,R3电流进一步增大, L1感应的正向电动势达到最大, Q1基极电压到达高点
7. L2,R3电流增速变缓, L1感应的正向电动势减小, Q1基极电压下降
8. Q1基极电压恢复至中值, L2,R3电流达到高点
9. L2,R3电流减小
10. L1感应到的反向电动势增大, Q1基极电压降低
11. L2,R3电流进一步减小, L1感应的反向电动势增大, Q1基极电压到达临界点
12. Q1截止, 这时候L2,R3电流骤然归零, 会在L1和L3都感应出很大的负电压, Q1基极电压出现低压峰值, 这时候L2,R3电流是最低点, 因为归零了
13. L1不再感应出负电压, Q1基极电压恢复至临界点之上, Q1开始导通, L2,R3出现电流
14. L2,R3电流增大, 进入下一个循环

理解要点

• Q1基极电压正常会稳定在0.7V - 0.8V附近
• L2中的电流变化会在L2上感应到电压, 注意是电流的变化
• 自感电动势的方向总是与磁通量的变化趋势相反, 所以L1的感应电压总是阻碍L2的电流变化
• L2电流增大会在L1产生正向电压(L1的R1端往V1端), L2电流减小会在L1产生反向电压; L2电流在高值和低值时变化都是趋近于0, 所以这两点在L1上感应的电压为0
• L1感应到正向电压, 会使得Q1基极电压小幅升高. 反之感应到反向电压, 会使得Q1基极电压小幅降低
• Q1基极电压的变化, 经过放大作用, 又会引起L2,R3的电流大小变化
• Q1基极电压跌落到临界电压之下时Q1截止, 此时骤降的L2电流会在L1和L3都产生很大的电动势

下图是Q1基极电压与L2电流调整坐标轴比例后对比得到的图像

• L2电流增大最快时出现L1电压的高点(正电压), L2电流减小最快时出现L1电压的低点(负电压), 此时基极电压最低
• L2电流增大最快时出现R1电压的低点, L2电流减小最快时出现R1电压的高点

进入了稳定振荡. 每一次在L2,R3的电流即将达到峰值时, Q2基极上的额外电压就会消失, 这会导致L2,R3电流加速减小, 而电流的迅速减小使得L1感应出反向电压使得Q1基极出现负电压, 伏电压导致Q1截止, 此时L2,R3电流归零, L1在出现负电压峰值后电压突然消失, Q1基极恢复正电压, L2,R3电流重新爬升, 由此周而复始.

元件参数

• L1: L1匝数不能太小, 太小感应电压太小无法起振, 也不能太大, 太大会导致负电压峰值增大, 太大的负电压有可能会损坏三极管, 控制在电压为5V以内, 可以根据电源电压与L2匝数计算, 一般取L2匝数的1/3
• L2: L2匝数的大小会影响起振后的频率, L2越小, 起振频率越高, 但是右侧的输出越低, L2如果太大, 一是内阻增大增加损耗, 二是超出L1太多会导致无法起振, 这是L2电流有振荡但是Q1无截止动作, 会一直存在正电流, 增加损耗
• L3: L3匝数一方面决定了感应的电压, L3越大电压越大但是内阻也越大, 另一方面受负载R2的影响, 如果R2太小, 则L3太大无法负担此电流, 会导致左侧无法进入完全振荡, 出现发热损耗. 此时需要降低L3降低输出电压, 或提高R2降低电流, 才能使振荡回归正常.
• R1: R1为串联在基极上的保护电阻, 其大小也会影响起振后的频率, R1越大, 起振频率越高, L2的工作电流越低, L3输出也越低; R1不能太低, 太低虽然频率低, 但是L2电流大, 每次峰值能量会导致L1正反向都感应出很大的电压, 容易损坏Q1, R1取值在1k - 2k欧之间.
• R2: R2为负载电阻, R2值会直接影响R2两端采集到的电压, 同时会影响左侧的振荡频率, R2越小, 电压越低, 振荡频率越高, 越快进入最大振幅. 取决于R3的大小, 当R2低于某个值时(例如R3 40, R2 5K), 输出电压无法有效升压. R2一般为阻值100K以上的低功耗元件.
• R3: R3的大小也会影响起振后的频率, R3越小, 起振频率越高, L3输出越高, R3增大会增加热损耗, R3太大会导致无法起振, 实际使用中取值很小, 在0-5欧之间.

实际测试

1. 变压器: 尺寸为EE13, 3+3pin, 绕组分别为L1(0.25mm, 10匝), L2(0.15mm, 37匝), L3(0.07mm, 1300匝)
2. 三极管: D882
3. 其他: R1(1.4K), R2(开路), R3(1.2), D1(1N4007), C1(223, 1KV)

L3的内阻有150欧, 使用电源3.3V进行测试, 在C1两端测得电压240V

实际测试中

1. 电源使用5V, 输出电压并不比使用3.3V电压时高.
2. 在R2上增加负载, 电压下降明显. 开路电压330V, 加上1M欧的R2, 电压降到220V
3. R3的阻值降为0(即将R3短路)后, 电路依然正常工作, 三极管并未过流, 这样节约了R3上的损耗, 电路效率更高
4. R1的阻止从1.4K欧开始, 越大电路的功率越低, 振荡频率越高, 初始时为18KHz, 在2K欧时为22KHz, 3K欧时为45KHz. 同时R2上的电压越低
5. R2为1M欧时, 整个电路的功率为1W - 3W

参考

• 单管自激电路 http://www.360doc.com/content/18/0806/20/30362566_776183558.shtml
• 单管自激 http://www.geekfans.com/article-4275-1.html
• 单管自激 https://power.baidu.com/question/308990386.html
• 三极管应用 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1662284687197779801
• https://www.ednchina.com/news/20180123power.html