让电弧唱歌其实很简单——论电源调制类功放


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教程视频:

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在上一讲,我们讲到一个好的特斯拉线圈是一个涉及面很广的综合性很强的系统,这一讲我们就来动手制作一个最简单的特斯拉线圈。我们先制作,然后根据现象分析一下它的工作原理。

这个电路叫做“杀手励磁器”,是一种最简单的固态特斯拉线圈,先看看制作它需要什么材料:一个高频高增益三极管(如2n2222、s8050、 s9013、s9014、tip41c、d882等,这些都是npn极性的,用如s8550、tip42c等这样的pnp虽然也可以,但是本狗试了几种, 同条件下,一对对管中pnp的效果都不如npn的);任意一个22K到510K的电阻(推荐用100KΩ的,功率随意);一些线径随意漆包线(推荐 0.12的,大约需要50米);一个3到12V的电源,推荐用9V方块电池;为了方便调整,推荐先在面包板上制作;电抗器(所谓的次级)推荐用2mH的 (约580圈绕在直径25mm的PVC管上)这里有辅助计算工具,可根据设计或实际情况计算参考,最好先设计和计算再根据计算结果来制作。这里有关于手工制作电抗器的心得。

这么简单的一个电路,看起来似乎都不完整,它真的能工作吗?我们来动手实践一下吧~

首先,把准备好的器件按电路图安装到面包板上


 

面包板的使用说明:一块面包板被中间的凹槽分成相互独立的两个部分,一侧垂直于凹槽的5个孔为相互导通的一行,行与行间不导通,将元件插入一个孔 中,这个脚即与这一行剩下的四个孔导通。两侧有两列电源线,一列上的所有孔互相导通。可使用跳线(面包线)连接需要连接的两行,也可使用元件或焊锡丝连 接。

其实它的结构非常简单,看看它内部的结构就能一目了然了。


所谓次级实际上并不是普通感应变压器的次级,而是电抗器(电感器,叫法不同而已。这里说的电抗器是指具有较大寄生电容的电感器),它只有一小部分与初级耦合形成普通的感应变压器,且耦合的这部分不计入电抗器中,升压主要靠的是谐振压降。

漆 包线表面是一层绝缘的漆皮,若不处理是不导电的。去除漆皮可用刀刮、灼烧等方法,如视频教程中使用酒精灯灼烧。灼烧法比较轻松省力,漆皮烧糊后用力一擦即 可容易去掉。(温馨提示:用火需注意安全,若酒精灯不慎失火应立即用湿毛巾扑灭。铜杆导热快,用纸垫着拿避免烫伤。不过灼烧容易使铜线变黑,这主要是因为 铜加热容易氧化(2Cu+O2=(加热)=2CuO), 而氧化铜的导电性会比铜差顺便提一下,氧化铜也可作为半导体使用)。之所以本狗推荐使用酒精灯来灼烧,是因为铜可以催化酒精(酒精的学名是乙醇,通常说的 医用酒精是体积分数为75%的乙醇水溶液,因为乙醇能使蛋白质变性而杀死细菌,75%的体积分数杀菌效果较好;用于酒精灯的酒精最好是体积分数95%以上 的乙醇水溶液)氧化成乙醛,这个过程中氧化铜是中间产物,在下一步骤又可被乙醇还原成铜,所以烧黑了铜趁热在酒精灯芯上擦一下又可变红。化学反应方程式如 下:

2Cu+O2=(加热)=2CuO ①(铜线被烧黑) CuO+CH3CH2OH=(加热)=CH3CHO+Cu+H2O ②(由黑变红)



三极管这个词汇最初专指电子三极管,从出现晶体三极管后成了对具有放大能力的三端器件的统称。常见的三极管有BJT、MOSFET、IGBT,他们 都是"T"结尾,即"transistor"晶体管,只不过通常习惯上三极管是指BJT即"双极结型晶体管"。下文中为了区分清楚,均使用英文简 写,BJT就是s8050、s8550这类常见常说普通三极管。

BJT是流控流型的器件,也就是可以通过调节基极的电阻来调节基极的电流进而控制流过负载的电流,为了方便理解,可以近似把它理解成可调电阻(其实 BJT和IGBT是说压降,MOSFET才是说电阻)。它有两种极性,npn的驱动电流是从电源正经过限流电阻到基极到射极到电源负而pnp的是从电源正 到射极到基极经过限流电阻到电源负,两种都是在一定限度之内驱动电流IB越大集电极IC的电流越大,这时工作在放大状态。超过这个限度后集电极电流就不再 随基极电流增加而增加了,这时工作在饱和区(即开关状态,注意不要与MOSFET的饱和区混淆。驱动电流也不能过大,过大就有可能损坏三极管)。通常把负 载接在集电极上,这样可以同时放大电压和电流(电压放大到电源电压,电流看基极电流和该BJT的放大倍数),如果接射极上就没有了放大电压的效果(施加到 负载的电压接近基极限流电阻上的电压),对于纯电阻来说接哪里都没什太大区别,但是有压降的器件接在射极上有时可能会不能工作。若基极是分压的接法而负载 接射极上的话就做出了一个最简单的可调压电源。


杀手励磁器里的BJT便是工作在开关状态,当饱和时,初级上的最大电流就约为这个BJT最大载流量,截止时几乎无电流,一开一关使得初级线圈产生强 电磁场并耦合到次级的一小部分,由于反馈来自电抗器,所以这个开关的频率就是次级的自谐振频率。与电阻靠金属中的自由电子导电不同,晶体管的主要原料(多 为单质硅,也叫晶元)本来是不导电的,是掺入了杂质后才导电的,这些杂质原子与硅形成的电子和空穴便是载流子。晶体管中有N型半导体(多电子,比如在+4 价的硅里掺入+5价的砷)和P型半导体(多空穴,比如在+4价的硅里掺入+3价的硼)(这里的价就是化合价,通常取决于原子最外层电子数)电流只能从P型 半导体流向N型半导体(实际上反接也会有微弱的漏流,不过通常可以忽略)。



(这两张载流子的图片来自百度百科)

PN结是两种半导体接触的部分,会产生一个内电场(P型和N型的杂质不同所以会产生极性,P型带正电荷而N型带负电荷,内电场方向从P指向N),这样就产生了压降。PN结没有外加电场时,电子会和空穴中和形成耗尽层,耗尽层不导电,当有外加电场时会使其变厚或变薄。


(这张PN结的图片来自百度百科)

BJT集电极允许的最大电流量直接影响到功率,于是我们想到换用更大功率的BJT。网上有很多图用的是tip41,但是很多朋友使用tip41c做 都不能工作,这个问题的主要原因是tip41需要的驱动电流更大,而小电抗器反馈来的电流难以驱动它。视频中我们就做了一个对照实验,对照组是可以使 tip41c电路工作的电抗器而实验组是其他大小的电抗器;自变量是电抗器的大小;因变量是电路的工作与否;因为之前电路已经工作过了所以无关变量是适宜 的且没有改动电路其他部分保证了无关变量相同。因为视频的内容量关系,这个实验是不完善的,因为没有设置空白对照组(比如把没有使tip41c电路工作的 电抗器安装到s9013的电路上)来排除电抗器本身的问题(电抗器有可能本身是坏的),也没有细化大小梯度。不过,根据经验,换用tip41c后电路不工 作最有可能的要原因就是电抗器不合适。

LED是发光二极管,顾名思义它是单向导电的,正常工作时电流只能从P流向N,这时正偏,只要电源电压大于其压降即可导通(小于其压降时不导通,几 乎无电流)。反之,若电源电压方向与内电场方向同向则是反偏,耗尽层增厚,不导通。(直到施加的电压达到PN结的雪崩电压,超过雪崩电压后PN结会被击穿 而导通。有的二极管被这样"击穿"后还能恢复,这样的二极管就可作稳压二极管。)要特别注意,LED对电流很敏感,通常指示用LED都要串联限流电阻,而 大功率照明用LED要用恒流(限流)电源(也就是常说的LED驱动板)。指示用LED的工作电流控制在5到10mA比较好,虽然小于5mA也可以发光但是 看不清,高于10mA则很容易烧毁。指示用LED对于电压则没有特别的要求,哪怕是正接到300V的电压源上,只要有合适的限流电阻就能正常工作,反向耐 压本狗没有找到可靠的资料,不过经测试直接反接到30V的电源上也不会坏。(再高就没测试过了。不过最好养成好习惯不要反接,因为有的LED对电压要求又 很严格,尤其是有些照明用的LED,反接到几V的电池就会坏。)杀手励磁器里的这个LED就是起指示和箝位作用,当电抗器反馈回来的电位低于供电的负极 时,三极管截止,这部分电流要是没有地方去电压就会变得很高甚至有可能击穿三极管(只是这里次级的电流比较小,而三极管又存在结电容和反向漏流,所以即使 不使用LED箝位三极管也能承受),接一个LED则可把基极的电压限制在LED的压降(一般约为1.7V),过多的电流走LED;而当电抗器反馈来的电位 高于电源负极时,三极管导通,因为电抗器上电流很小而又被三极管箝位。(箝位和限幅是一个意思,就是把峰值限定在一个定值)

电抗器自身有寄生电容(两个相互绝缘且有电位差的物体之间就会形成寄生电容),所以它的顶端即使什么也没接也并不是开路,而是通过电容和大地、和电 源耦合,实际上就是一个电感器和一个电容器串联。而三极管又是被电抗器开关的,所以激励频率刚好等于谐振频率,这就形成了LC串联谐振升压电路。这也是为 什么加了顶端之后点灯更亮、电弧更长的一个主要原因(还有就是储存的能量更多功率也就增大了、电压升高而电阻不变电流也就增大了)。【(2016年11月 5日更正:这段文字说“形成寄生电容”确实不准确,应更正为分布电容。因为寄生电容是指没有设计却出现的电容,一般只元件及线路固有的性质。感谢兔哥“灬 独特ヤ乖乖丶”的指正)】


(图 中有两组LC回路,双谐振升压效果更好。其中5pF的电容在实际中是"开路",是电抗器的寄生电容。)【(2016年11月5日更正:同上一处更正,寄生 电容与分布电容在指代范围上是有区别的,说成寄生电容确实不准确,与电抗器串联谐振的是分布电容中的对地等效电容。感谢兔哥“灬独特ヤ乖乖丶”的指正)】

电容器的基本模型就是平行板电容器,两个相互接近且相互绝缘的导体就可以储存电场能。当给它施加电压时,极板上的电荷受到电源的作用向另一侧移动而 使得两边的电荷量不对称,两极板便产生了电位差,电容器便储存上了电场能。电容量与极板正对面面积、相对介电常数呈正比,与极板距离呈反比。(式中 π≈3.1415,k≈9.0*10^9N·m^2/C^2。)在开关闭合的瞬间,电容充电,导线上电子定向移动,传导电流无穷大,同时,两个极板间的电 场变化速率也无穷大,位移电流无穷大。位移电流不是真正的"电荷流动",而是指变化着的电场。电流周围总是会产生磁场,且变化的磁场又会感应出垂直于该磁 场的电场,这样循环下去直到强度小到可以忽略为止。当电源为交流电时,这一过程便会向外发射电磁辐射也就是发射无线电,使得荧光灯管内稀薄的气体(通常是 以汞蒸气为主)电离并产生等离子体而发光(紫外线),灯壁上的荧光粉吸收后被激发而发出人类肉眼可见的可见光。


视频中我们看到那个BJT发热很严重,整体效果也不是很给力,三极管发热消耗的能量占总输入能量的比重很大,这主要是因为是BJT属于流控流型器件,要使其持续导通就需要持续的基极电流,也就是说在BJT导通的过程中一直在消耗驱动的电能。

在下一讲,我们继续讲解如何换用MOSFET并学习相关知识。敬请关注"影V课堂" 和 "玉虎的小窝",更多精彩内容为您而生。

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最后编辑于2016-10-29 10:00:00

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