焦耳偷盜電路原理

01

焦耳偷盜電路1.1電路來源??在前天

焦耳偷竊電路[1]

中介紹了在

SimpleJouleThiefCircuit–DIYElectronicsProject[2]

給出的一個升壓電路。這個電路與常見到的雙晶體管多諧振蕩電路相比，都是對稱晶體管組成，但從原來的電容正反饋耦合變成了RLC的直接耦合。那么它的工作原理是什么？電路參數(shù)與振蕩頻率是什么關(guān)系？1.1.1電路原理圖??下面給出了兩個多諧振蕩電路電路圖。（1）電容耦合多諧振蕩電路??這個震蕩電路的原理在一個古老而優(yōu)雅的電子線路[2]中進(jìn)行梳理?！鴪D1.1對稱雙晶體管組成的多諧振蕩器（2）RLC耦合多諧振蕩電路??關(guān)于這個電路的工作原理在后面通過電路實(shí)驗(yàn)來確定?！鴪D1.2焦耳偷竊電路1.2搭建實(shí)驗(yàn)電路1.2.1主要元器件??根據(jù)【圖1.2】在面包板上搭建測試電路。電路中的主要元器件選擇：晶體管：

BC547×2▲圖1.2.1BC547晶體管電感：??儲能電感使用SmartTweezer測量參數(shù)：?●

電感參數(shù)：

???電感量：96.98uH

???等效串聯(lián)電阻：0.3Ω▲圖1.2.2儲能電感電阻電容：?●

電阻電容參數(shù)：

???電容（C1）：220.9pf

???電阻（R1）：19.90kΩ

???電阻（R2）：324.9Ω??對于電感

與電容

組成的諧振頻率：1.2.2面包板上搭建電路??在電路板上搭建實(shí)驗(yàn)電路，施加+1.5V工作之后，可以看到電路中的綠色LED被點(diǎn)亮。為了對比，可以看到電路中直接連接在+1.5V電源上的綠色LED并沒有被點(diǎn)亮。?●

電路工作參數(shù)：

???工作電壓：+1.5V

???工作電流：60.6mA▲圖1.2.3通電之后LED點(diǎn)亮（1）電路工作波形信號▲圖1.2.4Q1(青色)，Q2(藍(lán)色)信號波形▲圖1.2.5Q1基極（青色）Q2集電極（藍(lán)色）1.3電路初步分析??為了分析電路的工作原理，將電路的各部分的電壓信號繪制在電路旁邊?！鴪D1.2.6電路圖中的主要節(jié)點(diǎn)的電壓波形1.3.1交流信號分析??一個多諧振蕩器中存在著深度正反饋，利用RLC使得電路中的電子器件在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而自激振蕩，產(chǎn)生方波、三角波等，這些信號都具有非常豐富的諧波分量，因此被稱為“多諧振蕩器”。??電路中，T1的集電極信號經(jīng)過R1，C1耦合到T2的基極，被放大的信號在其集電極上直接耦合在T1的基極。因此從交流信號極性上來看，這是一個正反饋的放大電路。??將前面電路圖中的元器件進(jìn)行調(diào)整，可以更加清晰表面電路中存在的正反饋放大電路的結(jié)構(gòu)形式?！鴪D1.3.2調(diào)整電路布局，顯示出兩個三極管組成的正反饋放大電路??在振蕩情況下，兩個三極管交通完成導(dǎo)通與截止的轉(zhuǎn)換，最終在T1的集電極上完成對于1.5V直流電壓“斬波升壓”，驅(qū)動發(fā)光二極管D1點(diǎn)亮。??為了分析電路是否能夠工作，還需要對電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析。1.3.2靜態(tài)工作點(diǎn)分析（1）將C1去掉??將C1去掉，此時電路停止振蕩。測量電路中兩個三極管的工作點(diǎn)。?●

T1的工作點(diǎn)：

???基極電壓：0.116V

???集電極電壓：1.5V?●

T2的工作點(diǎn)：

???基極電壓：0.679V

???集電極電壓：0.116V??可以看到，T1處于截止?fàn)顟B(tài)，T2處于深度飽和狀態(tài)。（2）令人驚訝的靜態(tài)工作點(diǎn)??到此為止，靜態(tài)工作點(diǎn)測量結(jié)果讓我們驚掉了下巴。通常情況下，晶體三極管組成的電路，如果處在截止，和飽和狀態(tài)下，是無法對信號進(jìn)行放大的。既然如此，那么怎么會引起深度正反饋，從而產(chǎn)生震蕩了呢？1.3.3加電啟動振蕩??上面分析電路中雖然存在兩個三極管正向反饋耦合在一起，但在靜態(tài)工作點(diǎn)，即電路處在平和狀態(tài)下，兩個三極管分別處在截止和深度飽和狀態(tài)下，這表明該電路的正反饋回路的增益有可能低于1，這樣有可能使得電路無法從靜態(tài)工作點(diǎn)下轉(zhuǎn)移到振蕩狀態(tài)。??通過手工，將C1從面包板上取下，此時電路處在T1截止，T2飽和狀態(tài)。然后將C1在電路加電的情況下，插在面包板上。經(jīng)過若干次的操作，可以發(fā)現(xiàn)有的時候電路開始震蕩，點(diǎn)亮LED；有的時候電路不振蕩，還是處在原來的狀態(tài)。??但是如果電路的1.5V電壓從0V變化到1.5V，電路始終會產(chǎn)生振蕩。02

電路工作原理??根據(jù)前面對于搭建在面包板上的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測量結(jié)果，驗(yàn)證了該電路的確可以進(jìn)行振蕩，并通過電路中的T1與電感L1形成斬波電路，對輸入1.5V電壓進(jìn)行升壓驅(qū)動LED發(fā)光。??但存在以下問題：電路如何進(jìn)行震蕩狀態(tài)？電路如何進(jìn)行狀態(tài)翻轉(zhuǎn)？2.1電路如何進(jìn)入振蕩狀態(tài)？??前面實(shí)驗(yàn)證明電路在沒有C1的情況下，是不會產(chǎn)生振蕩的。并且當(dāng)電路處在T1截止、T2飽和的情況下，手動加上C1電路并不會產(chǎn)生振蕩。但工作電源從0V開始加載到電路上，電路則會產(chǎn)生振蕩。2.1.1工作電壓逐步增加??下圖顯示了電路的工作電壓從0.5V開始增加是，對應(yīng)的T1的集電極電壓波形。隨著電壓的增加，T1逐步進(jìn)入振蕩狀態(tài)?！鴪D2.1.1

工作電壓變化對應(yīng)的T1集電極電壓信號??當(dāng)工作電壓比較低的時候，T1,T2實(shí)際上都處在截止?fàn)顟B(tài)，T1,T2的基極電壓都與電源電壓相同。當(dāng)電源電壓大于0.65V之后，T1,T2便開始從截止?fàn)顟B(tài)過渡到放大狀態(tài)。由于正反饋存在，所以T1,T2很快產(chǎn)生振蕩。??這說明了為什么電路每次通電之后能夠形成振蕩的原因。??下圖繪制了工作電壓從0.5V變化到0.75V時，T1集電極的交流電壓與T2集電極的直流電壓的變化。??T1的交流電壓表明了電路是否產(chǎn)生了振蕩，可以看到電路是在工作電壓超過0.65V之后，突然增加，進(jìn)入了振蕩狀態(tài)?！鴪D2.1.2隨著工作電壓的升高，T1集電極的交流電壓與T2的集電極直流電壓的變化??T2集電極直流電壓，也反映了T1的基極電壓。感覺要解釋清楚T2集電極在震蕩前后的這樣復(fù)雜變化還需要多費(fèi)口舌，說白了，現(xiàn)在我還沒有理清思路。2.1.2正弦振蕩??在工作電壓處在0.6~0.65V之間時，T1，T2已經(jīng)開始進(jìn)行正弦振蕩，測量對應(yīng)的T1,T2集電極波形如下。T1集電極波形為藍(lán)色信號；T2集電極波形為青色信號?！鴪D2.1.3電路在工作電壓0.6V情況下的正弦振蕩??此時對應(yīng)的振蕩頻率在907kHz，這個參數(shù)與C1、L1組成的諧振頻率接近。2.2電路如何進(jìn)行狀態(tài)翻轉(zhuǎn)？2.2.1工作電壓小的情況??當(dāng)工作電壓超過0.65V之后，電路的振蕩幅度急劇增加，振蕩頻率降低了一半左右。通過T2集電極電壓（也就是T1基極電壓）可以看到，此時T1的狀態(tài)分為：導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)。??當(dāng)T1截止時，L1，C1產(chǎn)生串聯(lián)諧振，形成了以上上升的半個正弦波。當(dāng)T1的集電極電壓下降低時，通過C1耦合到T2基極，使得它從飽和返回到放大狀態(tài)。然后通過正反饋，迅速使得T1進(jìn)入飽和，T2進(jìn)入截止?！鴪D2.2.1電路在工作電壓0.65V情況下的正弦振蕩??T1的飽和使得C1上的電壓反向施加在T2的基極與集電極之間，使得T2基極電壓成為負(fù)電壓，使得T2進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。從下圖青色曲線可以看到這一點(diǎn)?！鴪D2.2.2T1集電極電壓（藍(lán)色）與T2基極電壓（青色）信號波形??所以在這個狀態(tài)下，電路不再是L1，C1的諧振了。這個狀態(tài)的是依賴于T1退出飽和狀態(tài)。電源電壓施加在電感L1上，使得L1的電流，也就是T1的集電極電流持續(xù)增加，直到大于T1的基極電流所對應(yīng)的放大電流，從而使得T1從飽和返回到放大狀態(tài)。??T1返回放大狀態(tài)之后，對應(yīng)集電極電壓開始升高，這個信號通過C1耦合到T2，也使其退出截止，進(jìn)入放大狀態(tài)。通過正反饋，電路反轉(zhuǎn)到T1截止，T2飽和狀態(tài)。電路便進(jìn)行循環(huán)振蕩狀態(tài)。2.2.2工作電壓大的情況??在上面工作中，由于電路工作電壓比較小，T1集電極上的電壓始終小于LED的導(dǎo)通電壓。??當(dāng)電路工作電壓從繼續(xù)增加，則出現(xiàn)了兩個主要的變化。先看一下電路中的波形。下圖是工作電壓在0.9V時對應(yīng)的T1集電極（藍(lán)色）與T2基極（青色）信號波形?！鴪D2.2.3電路在0.9V是對應(yīng)的T1集電極電壓與T2基極電壓波形（1）T1對應(yīng)的飽和電流增加??T1的基極電流是電源電壓通過R2產(chǎn)生的，所以當(dāng)電路工作電壓增加后，對應(yīng)T1在飽和時的基極電流增加，從而使得T1所對應(yīng)的從飽和退回到放大狀態(tài)的集電極電流也增加了。需要等待更長的時間才能夠使得L1中增加的電流達(dá)到飽和電流數(shù)值，使得T1退出飽和狀態(tài)。??這反映在振蕩波形上，可以看到T1截止時間更長了。（2）電路LED參與電感放電??由于L1上的電流很大，所存儲的電能更多，因此T1截止時，所形成的L1、C1諧振電壓更大，超過LED導(dǎo)通電壓時，L1中的電流則通過LED進(jìn)行釋放，這使得L1釋放電能時間延長。也就是T1的截止時間也延長了。??以上兩個變化都是的振蕩波形的周期增加。此時對應(yīng)的振蕩頻率已經(jīng)降低到94kHz左右了。（3）T2退出截止過程??通過上面T2基極波形，可以看到它退出截止?fàn)顟B(tài)（也就是基極電壓回復(fù)大于零的狀態(tài)）經(jīng)過兩個過程：前面一段曲線是C1上的電壓在R1放電的過程，根據(jù)R1，C1的參數(shù)，可以知道對應(yīng)的放電時間常數(shù)為5微秒左右。后面一段曲線是T1退出飽和狀態(tài)，集電極電壓抬升電壓，經(jīng)過R1耦合到T2基極。03

分析總結(jié)??本文對于一款簡易升壓振蕩電路進(jìn)行分析。通過搭建的