Comprensión de un esquema LED PNP/NPN

Descripción general

Solo para obtener el esquema en el editor compatible aquí y dibujarlo en una forma ligeramente mejor para el análisis:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Descargué el interruptor (implícito). Dejé de enviar energía y solo usé una conexión a tierra y$V_\text{CC}$indicador, en cambio. Esto ayuda a enfocarse un poco mejor en el esquema sin distraer los cables que no contribuyen mucho a la comprensión. Pero a excepción del interruptor, es exactamente el mismo esquema que proporcionó.

Podemos hacer algunas suposiciones, para empezar, y si se mantienen bien después de pensarlo un poco, entonces podemos considerar que esas suposiciones están confirmadas.

Operación

$R_1$inicialmente tira hacia abajo$Q_1$la base y la enciende por completo . Esto también significa que$Q_1$El colector de 's tira hacia arriba en$R_2$y gira$Q_2$totalmente encendido , también. Esto entonces aplica la totalidad$V_\text{CC}$al otro lado de$L_1$(menos un poco$V_{\text{CE}2_\text{SAT}}$requerido para$Q_2$.)

Con un voltaje aplicado a través del inductor ideal$L_1$, la corriente en$L_1$crecerá de acuerdo con la ecuación habitual de$\frac{\text{d}I_L}{\text{d}t}=\frac{V_\text{CC}-V_{\text{CE}2_\text{SAT}}}{L_1}\approx 4.2\frac{\text{mA}}{\mu\text{s}}$. Si no ocurriera algo que detuviera este proceso, continuaría para siempre y la corriente simplemente aumentaría. Pero la corriente no puede aumentar para siempre. Algo va a cambiar, en cambio.

Las únicas dos posibilidades son:

1. $Q_2$saliendo de la saturación porque la corriente de recombinación base no es suficiente para seguir aumentando la corriente del colector para siempre; si no,
2. El material central utilizado en la fabricación$L_1$entra en saturación y la inductancia efectiva cae rápidamente (la inductancia dinámica en ese punto comienza a actuar como si el inductor fuera un núcleo de aire) y, por lo tanto, la tasa de aumento de corriente aumenta drásticamente.

De cualquier manera, lo que cambia es que$Q_2$se queda sin corriente de recombinación y agota la capacidad de su$\beta$para mantener su colector cerca de su emisor. (Este momento tiene lugar en algún$\beta$cerca de su valor de modo activo nominal, pero solo un poco menos).

Una vez$Q_2$entra en modo activo (debido a una corriente de recombinación insuficiente), su voltaje de colector aumenta (en un intento, por así decirlo, de reducir su corriente de colector a algo que pueda manejar). Pero con el voltaje de colector aumentando ahora y por lo tanto levantando el lado derecho de$C_1$hacia arriba, esto significa también que el lado izquierdo de$C_1$también está aumentando hacia arriba en el voltaje. Pero esto significa reducir la magnitud de$V_{\text{BE}1}$y eso significa reducir la corriente del colector de$Q_1$. Pero eso significa menos corriente base de recombinación para$Q_2$, que ya se está muriendo de hambre. Entonces$Q_2$responde soltando aún más su colector, con el voltaje del colector ahora aumentando aún más.

Juntos, y esto sucede rápidamente, ambos BJT se apagan .

Una vez que ambos BJT estén completamente apagados ,$L_1$se queda sin elección. Debe mantener su corriente y dirección hasta que pueda obtener el tiempo que necesita para descargar su energía almacenada y dejar que su corriente disminuya hasta cero. Para que la corriente en$L_1$declinar, el signo de$\frac{\text{d}I_L}{\text{d}t}$debe cambiar. Para que ese signo cambie, el voltaje a través$L_1$también debe cambiar de signo. Entonces el inductor responde a$Q_2$apagándose invirtiendo repentinamente el voltaje a través de sí mismo. esto significa que$Q_2$coleccionista de repente se encuentra por encima del valor de$V_\text{CC}$. De hecho, el inductor no dejará de aumentar la magnitud de su voltaje inverso hasta que la corriente que fluye a través de él pueda continuar como antes. Dado que el LED en sí mismo no se "encenderá" lo suficiente para manejar esa corriente hasta que se alcance el voltaje necesario, el inductor alcanza casi instantáneamente el voltaje necesario para que el LED conduzca esa corriente máxima.

Una vez logrado esto,$L_1$impulsa su corriente a través del LED, ya que también disminuye su corriente hacia cero.

Cuándo (y si, ya que esto depende del diseño del circuito)$L_1$termina de descargar su energía magnética almacenada y su corriente llega a cero, el colector de$Q_2$cae repentinamente hacia$V_\text{CC}$. Esto también hace que el voltaje del lado izquierdo de$C_1$para caer repentinamente en la misma cantidad. (Mientras tanto,$C_1$también está siendo empujado hacia abajo por$R_1$y se está recargando, apropiadamente.) En algún momento, el lado izquierdo de$C_1$es lo suficientemente bajo como para que$Q_1$puede volver a encenderse y comenzar a suministrar corriente de recombinación base a$Q_2$.$Q_2$El colector de responde tirando hacia abajo y este hecho tira aún más hacia abajo en el lado derecho de$C_1$, haciendo que el lado izquierdo de$C_1$para ir aún más bajo, causando$Q_1$para encender aún más fuerte que antes. Eso suministra más corriente base a$Q_2$. Etc.

Y todo el sistema se vuelve a encender por completo y el ciclo se repite.

Un diseño

Hagamos un diseño. Supondremos un funcionamiento en modo discontinuo.

Suponer$V_\text{CC}$es$1.5\:\text{V}$. Supongamos que el modelo simplificado del LED es$V_\text{FWD}=3.2\:\text{V}$y$R_\text{ON}=2\:\Omega$y que la ficha técnica nos dice que no debemos pasar de un pulsado$100\:\text{mA}$(el período del pulso es$\le 100\:\mu\text{s}$.) Elijamos una corriente pico en$L_1$de$80\:\text{mA}$. (La corriente del colector en$Q_2$también alcanza su punto máximo en este valor.)

Dada la tasa estimada calculada anteriormente de$4.2\frac{\text{mA}}{\mu\text{s}}$, sabemos que el período de encendido debe ser de aproximadamente$\approx 19\:\mu\text{s}$. Redondeemos eso a$t_\text{on}=20\:\mu\text{s}$(las partes varían demasiado para ser más precisos).

El voltaje del LED alcanzará su punto máximo en$3.2\:\text{V}+2\:\Omega\cdot 80\:\text{mA}=3.36\:\text{V}$por lo que el promedio a través del LED será de aproximadamente$3.3\:\text{V}$. Cuando está apagado , el voltaje a través$L_1$será la diferencia o sobre$1.8\:\text{V}$. Entonces, el tiempo de inactividad requerido es al menos$\frac{330\:\mu\text{H}\,\cdot\, 80\:\text{mA}}{1.8\:\text{V}}$. Redondeemos esto a$t_\text{off}=15\:\mu\text{s}$.

Así que si realmente conseguimos un pico de$80\:\text{mA}$en el LED, entonces deberíamos estar operando a una frecuencia de aproximadamente$\frac{1}{20\:\mu\text{s}+15\:\mu\text{s}}\approx 28\:\text{kHz}$. (Sin embargo, el pico real alcanzado tendrá un impacto directo en esta frecuencia).

Recordar que$Q_2$se queda sin corriente de recombinación cuando$\beta$se está acercando a su valor nominal de modo activo. Un BJT 2N2222A típico tiene un valor nominal$\beta=200$(Sin embargo, varían uno de otro). Usemos$\beta_2=120$como el punto de activación de la transición. Esto significa que la corriente base debe limitarse a$\frac{80\:\text{mA}}{120}\approx 670\:\mu\text{A}$.

Supongamos también$V_{\text{CE}_\text{SAT}}=100\:\text{mV}$tanto para BJT como para$V_\text{BE}=700\:\text{mV}$también para ambos BJT. Entonces$R_2=\frac{1.5\:\text{V}-100\:\text{mV}-700\:\text{mV}}{670\:\mu\text{A}}=1045\:\Omega$. Dado que este no es un proceso de precisión, redondee eso a cualquiera$R_2=1\:\text{k}\Omega$o$R_2=1.2\:\text{k}\Omega$.

El momento$Q_1$incluso comienza a salir de la saturación, todo el proceso se desencadena de todos modos, por lo que debemos usar un valor de$10\le \beta_1\le 30$para dar cuenta de su comportamiento. (Observar sólo el$\beta_1$requerido para una condición completamente saturada para$Q_1$.) Usemos$\beta_1=20$. Esto significa que$R_1=\frac{1.5\:\text{V}-700\:\text{mV}}{\frac{670\:\mu\text{A}}{20}=33.5\:\mu\text{A}}\approx 23.9\:\text{k}\Omega$. Desde que elegí$\beta_1=20$, probablemente sea más seguro reducir el valor de la resistencia al valor estándar de$R_1=22\:\text{k}\Omega$.

Qué pasa$C_1$? Proporciona un "impulso" para girar$Q_1$encendido y apagado. Pero el propósito principal es asegurarse de que el período de tiempo sea lo suficientemente largo para que$L_1$puede descargar completamente. Si$C_1$es demasiado pequeño, seguirá oscilando pero el inductor ya no funcionará en modo discontinuo. Así que debe ser lo suficientemente grande.$C_1$no controla el BJT en el tiempo, pero si es lo suficientemente grande, afecta el tiempo de apagado debido a su interacción con$R_1$.

En este circuito, una vez$L_1$se descarga el lado derecho de$C_1$será a las$V_\text{CC}$y el lado izquierdo será aproximadamente$V_\text{CC}-V_{\text{CE}2_\text{SAT}}-V_{\text{BE}1}\approx 500\:\text{mV}$arriba$V_\text{CC}$. Esto tiene que bajar al menos$500\:\text{mV}$abajo$V_\text{CC}$.

vamos a establecer$f=10\:\text{kHz}$o$t_\text{cycle}=100\:\mu\text{s}$. Entonces$C_1=\frac{t_\text{cycle}-t_\text{on}-t_\text{off}}{-R_1\cdot\operatorname{ln}\left(\frac12\right)}\approx 4.3\:\text{nF}$. solo llámalo$C_1=4.7\:\text{nF}$.

Entonces el circuito resultante es:

^{simular este circuito}

El esquema anterior en LTspice es:

La forma de onda de corriente del inductor resultante es:

La frecuencia resultante es de aproximadamente$11.7\:\text{kHz}$. No muy lejos de donde apunté usando ecuaciones simplificadas y redondeando a componentes de valor estándar. Y los picos actuales también están lo suficientemente cerca.

(Un análisis más detallado requeriría más matemáticas que quería evitar).

Nota al pie sobre la dirección de la corriente en los dispositivos LTspice

Nota: mencionó leer una corriente negativa y debo señalar que debe tener en cuenta que LTspice trata cada dispositivo de dos terminales como si tuviera dos nodos: un nodo de entrada llamado "1" y un nodo de salida llamado "2". Estos números de "netlist" son internos y normalmente no los ve. Pero LTspice los ve. Cuando pase el cursor sobre el dispositivo, habrá una pequeña flecha que le indicará de qué manera LTspice "ve" el flujo de corriente. Si la corriente convencional fluye en esa dirección, lo informa como positivo. Si no, lo reporta como negativo. Si no le gusta lo que está informando, puede agarrar la parte e invertir su dirección usando la combinación de teclas "ctrl-E" y luego volver a colocar la parte en el esquema, nuevamente. No es más grave que eso.