Verstehen eines PNP/NPN-LED-Schemas

Überblick

Nur um den Schaltplan in den hier unterstützten Editor zu bekommen und ihn in einer etwas besseren Form für die Analyse zu zeichnen:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ich habe den Schalter abgelegt (impliziert). Ich habe aufgehört, Strom zu transportieren, und nur eine Erdung und verwendet$V_\text{CC}$Indikator, stattdessen. Dies hilft, sich etwas besser auf den Schaltplan zu konzentrieren, ohne störende Drähte, die nicht viel zum Verständnis beitragen. Aber mit Ausnahme des Schalters ist es genau das gleiche Schema wie Sie es angegeben haben.

Wir können einige Annahmen treffen, um zu beginnen, und wenn sie sich nach einigem Nachdenken gut halten, können wir diese Annahmen als bestätigt betrachten.

Betrieb

$R_1$zieht zunächst nach unten auf$Q_1$'s Basis und schaltet es vollständig ein . Das bedeutet auch$Q_1$Der Kollektor zieht nach oben weiter$R_2$und dreht sich$Q_2$auch voll an . Diese gilt dann vollumfänglich$V_\text{CC}$über$L_1$(etwas weniger$V_{\text{CE}2_\text{SAT}}$benötigt für$Q_2$.)

Bei angelegter Spannung über idealer Induktivität$L_1$, der Strom ein$L_1$wird nach der üblichen Gleichung von steigen$\frac{\text{d}I_L}{\text{d}t}=\frac{V_\text{CC}-V_{\text{CE}2_\text{SAT}}}{L_1}\approx 4.2\frac{\text{mA}}{\mu\text{s}}$. Ohne dass etwas passiert, um diesen Prozess zu stoppen, würde er ewig weitergehen und der Strom würde einfach zunehmen. Aber der Strom kann nicht ewig zunehmen. Stattdessen wird sich etwas ändern.

Die einzigen zwei Möglichkeiten sind:

1. $Q_2$aus der Sättigung kommen, weil der Basisrekombinationsstrom nicht ausreicht, um den Kollektorstrom für immer zu erhöhen; oder aber,
2. Das bei der Herstellung verwendete Kernmaterial$L_1$geht in die Sättigung und die effektive Induktivität fällt schnell ab (die dynamische Induktivität beginnt an diesem Punkt zu wirken, als ob die Induktivität ein Luftkern wäre), und daher steigt die Stromanstiegsrate dramatisch an.

So oder so, was sich ändert, ist das$Q_2$wird Rekombinationsstrom ausgehungert und es erschöpft die Fähigkeit seines$\beta$um seinen Kollektor nahe an seinen Emitter gezogen zu halten. (Dieser Moment findet um einiges statt$\beta$in der Nähe des nominalen Werts für den aktiven Modus, aber nur geringfügig darunter.)

Einmal$Q_2$in den aktiven Modus übergeht (aufgrund unzureichenden Rekombinationsstroms), steigt seine Kollektorspannung nach oben (um sozusagen zu versuchen, seinen Kollektorstrom auf ein für ihn tragbares Maß zu reduzieren). von$C_1$nach oben, dies bedeutet auch, dass die linke Seite von$C_1$steigt auch in der Spannung nach oben. Dies bedeutet jedoch eine Verringerung der Größenordnung von$V_{\text{BE}1}$und das bedeutet, den Kollektorstrom zu reduzieren$Q_1$. Das bedeutet aber weniger Rekombinationsbasisstrom für$Q_2$, die ohnehin schon am Verhungern ist. So$Q_2$reagiert, indem es seinen Kollektor noch weiter loslässt - wobei die Kollektorspannung jetzt noch höher ansteigt.

Zusammen, und das geht schnell, finden sich beide BJTs abgeschaltet .

Sobald beide BJTs vollständig ausgeschaltet sind ,$L_1$bleibt keine Wahl. Es muss seinen Strom und seine Richtung beibehalten, bis es die Zeit bekommt, die es braucht, um seine gespeicherte Energie zu entladen und seinen Strom auf Null abfallen zu lassen. Damit der Strom in$L_1$ablehnen, das Zeichen von$\frac{\text{d}I_L}{\text{d}t}$muss sich ändern. Damit sich dieses Vorzeichen ändert, muss die Spannung über$L_1$muss auch das Vorzeichen wechseln. Also reagiert die Induktivität$Q_2$Ausschalten durch plötzliches Umkehren der Spannung über sich selbst . Dies bedeutet die$Q_2$Sammler findet sich plötzlich über dem Wert von$V_\text{CC}$. Tatsächlich hört der Induktor nicht auf, die Größe seiner umgekehrten Spannung zu erhöhen, bis der durch ihn fließende Strom wie zuvor fortgesetzt werden kann. Da die LED selbst nicht genug "einschaltet", um diesen Strom zu verarbeiten, bis eine erforderliche Spannung erreicht ist, erreicht die Induktivität fast sofort die erforderliche Spannung, damit die LED diesen Spitzenstrom leitet.

Sobald dies erreicht ist,$L_1$treibt seinen Strom durch die LED, da er auch seinen Strom gegen Null absenkt.

Wann (und ob – da dies vom Schaltungsdesign abhängt)$L_1$beendet die Entladung seiner gespeicherten magnetischen Energie und sein Strom erreicht Null, der Kollektor von$Q_2$fällt plötzlich in Richtung$V_\text{CC}$. Dies bewirkt auch die Spannung der linken Seite$C_1$plötzlich um den gleichen Betrag fallen. (In der Zwischenzeit,$C_1$wird auch nach unten gezogen$R_1$und lädt sich entsprechend auf.) Irgendwann die linke Seite von$C_1$ist niedrig genug, dass$Q_1$wieder einschalten und mit der Lieferung von Basisrekombinationsstrom beginnen kann$Q_2$.$Q_2$Der Kollektor reagiert darauf, indem er wieder nach unten gezogen wird und dieser Umstand noch mehr auf der rechten Seite nach unten zieht$C_1$, was die linke Seite verursacht$C_1$noch tiefer gehen, verursachen$Q_1$noch härter einzuschalten als zuvor. Das liefert mehr Basisstrom$Q_2$. Usw.

Und das ganze System schaltet sich wieder vollständig ein und der Zyklus wiederholt sich.

Ein Design

Lassen Sie uns ein Design machen. Wir gehen von einem diskontinuierlichen Betrieb aus.

Vermuten$V_\text{CC}$Ist$1.5\:\text{V}$. Angenommen, das vereinfachte Modell der LED ist$V_\text{FWD}=3.2\:\text{V}$Und$R_\text{ON}=2\:\Omega$und dass das Datenblatt uns sagt, dass wir einen Impuls nicht überschreiten sollten$100\:\text{mA}$(Pulsperiode ist$\le 100\:\mu\text{s}$.) Wählen wir einen Spitzenstrom in$L_1$von$80\:\text{mA}$. (Der Kollektorstrom in$Q_2$erreicht dann auch Spitzenwerte bei diesem Wert.)

Angesichts der oben berechneten geschätzten Rate von$4.2\frac{\text{mA}}{\mu\text{s}}$, wir wissen, dass die Einschaltdauer ungefähr sein sollte$\approx 19\:\mu\text{s}$. Runden wir das auf$t_\text{on}=20\:\mu\text{s}$(Die Teile variieren zu stark, um genauer zu sein.)

Die LED-Spannung wird bei maximal$3.2\:\text{V}+2\:\Omega\cdot 80\:\text{mA}=3.36\:\text{V}$so wird der Durchschnitt über die LED ungefähr sein$3.3\:\text{V}$. Wenn aus , die Spannung über$L_1$wird der Unterschied sein oder etwa$1.8\:\text{V}$. Die erforderliche Ausschaltzeit beträgt also mindestens$\frac{330\:\mu\text{H}\,\cdot\, 80\:\text{mA}}{1.8\:\text{V}}$. Runden wir das auf$t_\text{off}=15\:\mu\text{s}$.

Also, wenn wir wirklich einen Höhepunkt von bekommen$80\:\text{mA}$in der LED, dann sollten wir mit einer Frequenz von etwa arbeiten$\frac{1}{20\:\mu\text{s}+15\:\mu\text{s}}\approx 28\:\text{kHz}$. (Die tatsächlich erreichte Spitze wirkt sich jedoch direkt auf diese Frequenz aus.)

Erinnere dich daran$Q_2$wird Rekombinationsstrom ausgehungert, wenn$\beta$nähert sich seinem nominellen Aktivmoduswert. Ein typischer 2N2222A BJT hat einen Nennwert$\beta=200$(Sie unterscheiden sich jedoch voneinander.) Lassen Sie uns verwenden$\beta_2=120$als Übergangstriggerpunkt. Dies bedeutet, dass der Basisstrom begrenzt werden muss$\frac{80\:\text{mA}}{120}\approx 670\:\mu\text{A}$.

Nehmen wir auch an$V_{\text{CE}_\text{SAT}}=100\:\text{mV}$sowohl für BJTs als auch für$V_\text{BE}=700\:\text{mV}$auch für beide BJTs. So$R_2=\frac{1.5\:\text{V}-100\:\text{mV}-700\:\text{mV}}{670\:\mu\text{A}}=1045\:\Omega$. Da dies kein Präzisionsprozess ist, runden Sie das auch ab$R_2=1\:\text{k}\Omega$oder$R_2=1.2\:\text{k}\Omega$.

Der Moment$Q_1$sogar beginnt, die Sättigung zu verlassen, wird der gesamte Prozess trotzdem ausgelöst, also müssen wir einen Wert von verwenden$10\le \beta_1\le 30$sein Verhalten zu erklären. (Beachten Sie nur die$\beta_1$erforderlich für einen vollständig gesättigten Zustand für$Q_1$.) Lassen Sie uns verwenden$\beta_1=20$. Das bedeutet, dass$R_1=\frac{1.5\:\text{V}-700\:\text{mV}}{\frac{670\:\mu\text{A}}{20}=33.5\:\mu\text{A}}\approx 23.9\:\text{k}\Omega$. Da habe ich gewählt$\beta_1=20$, ist es wahrscheinlich sicherer, den Widerstandswert auf den Standardwert von zu reduzieren$R_1=22\:\text{k}\Omega$.

Wie wäre es mit$C_1$? Es bietet einen "Boost" für das Drehen$Q_1$an und aus. Der Hauptzweck besteht jedoch darin, sicherzustellen, dass der Zeitraum lang genug ist, damit dies möglich ist$L_1$vollständig entladen kann. Wenn$C_1$zu klein ist, schwingt sie noch, aber der Induktor arbeitet nicht mehr im diskontinuierlichen Modus. Es muss also groß genug sein.$C_1$steuert das BJT nicht beim Timing, aber wenn es groß genug ist, beeinflusst es das Off- Timing aufgrund seiner Interaktion mit$R_1$.

In dieser Schaltung einmal$L_1$entladen wird die rechte seite$C_1$wird bei ... sein$V_\text{CC}$und die linke Seite wird ungefähr sein$V_\text{CC}-V_{\text{CE}2_\text{SAT}}-V_{\text{BE}1}\approx 500\:\text{mV}$über$V_\text{CC}$. Diese muss mindestens sinken$500\:\text{mV}$unter$V_\text{CC}$.

Legen wir fest$f=10\:\text{kHz}$oder$t_\text{cycle}=100\:\mu\text{s}$. Dann$C_1=\frac{t_\text{cycle}-t_\text{on}-t_\text{off}}{-R_1\cdot\operatorname{ln}\left(\frac12\right)}\approx 4.3\:\text{nF}$. Ruf es einfach an$C_1=4.7\:\text{nF}$.

Die resultierende Schaltung lautet also:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Das obige Schema in LTspice ist:

Die resultierende Wellenform des Induktorstroms ist:

Die resultierende Frequenz beträgt ca$11.7\:\text{kHz}$. Nicht allzu weit von meinem Ziel entfernt, vereinfachte Gleichungen zu verwenden und auf standardisierte Komponenten zu runden. Und die Stromspitzen sind auch nah genug dran.

(Eine detailliertere Analyse würde mehr Mathematik erfordern, die ich vermeiden wollte.)

Fußnote zur Stromrichtung in LTspice-Geräten

Hinweis: Sie haben das Lesen eines negativen Stroms erwähnt, und ich muss darauf hinweisen, dass Sie sich bewusst sein sollten, dass LTspice jedes Gerät mit zwei Anschlüssen so behandelt, als hätte es zwei Knoten: einen Eingangsknoten namens „1“ und einen Ausgangsknoten namens „2“. Diese "Netzlisten"-Nummern sind intern und Sie sehen sie normalerweise nicht. Aber LTspice sieht sie. Wenn Sie den Mauszeiger über das Gerät bewegen, wird ein kleiner Pfeil angezeigt, der Ihnen anzeigt, in welche Richtung LTspice den fließenden Strom „sieht“. Wenn der konventionelle Strom in diese Richtung fließt, meldet er ihn als positiv. Wenn nicht, wird es als negativ gemeldet. Wenn Ihnen der Bericht nicht gefällt, können Sie das Teil greifen und seine Richtung mit der Tastenkombination "Strg-E" umkehren und das Teil dann wieder in den Schaltplan einfügen. Es ist nicht ernster als das.