Un oscilador de bloqueo (a veces llamado oscilador de pulso ) es una configuración simple de componentes electrónicos discretos que pueden producir una señal de funcionamiento libre , requiriendo solo una resistencia , un transformador y un elemento amplificador como un transistor o un tubo de vacío . El nombre se deriva del hecho de que el elemento amplificador está cortado o "bloqueado" durante la mayor parte del ciclo de trabajo , produciendo pulsos periódicos según el principio de un oscilador de relajación . La salida no sinusoidal no es adecuada para su uso como oscilador local de radiofrecuencia, pero puede servir como generador de temporización, para encender luces,LED , Elwire o pequeños indicadores de neón. Si la salida se usa como una señal de audio , los tonos simples también son suficientes para aplicaciones como alarmas o un dispositivo de práctica de código Morse . Algunas cámaras utilizan un oscilador de bloqueo para destellar el flash antes de una toma para reducir el efecto de ojos rojos .
Debido a la simplicidad del circuito, forma la base de muchos de los proyectos de aprendizaje en kits electrónicos comerciales. El devanado secundario del transformador se puede alimentar a un altavoz, una lámpara o los devanados de un relé. En lugar de una resistencia, un potenciómetro colocado en paralelo con el condensador de temporización permite que la frecuencia se ajuste libremente, pero a resistencias bajas el transistor puede sobrecargarse y posiblemente dañarse. La señal de salida saltará en amplitud y se distorsionará mucho.
Operación de circuito
El circuito funciona debido a la retroalimentación positiva a través del transformador e involucra dos tiempos: el tiempo T cerrado cuando el interruptor está cerrado y el tiempo T abierto cuando el interruptor está abierto. En el análisis se utilizan las siguientes abreviaturas:
- t, tiempo, una variable
- T cerrado : instante al final del ciclo cerrado, inicio del ciclo abierto. También una medida de la duración del tiempo cuando el interruptor está cerrado.
- T abierto : instante al final del ciclo abierto, comienzo del ciclo cerrado. Igual que T = 0. También una medida de la duración del tiempo cuando el interruptor está abierto.
- V b , voltaje de la fuente, por ejemplo, batería V
- V p , voltaje a través del devanado primario. Un interruptor ideal presentará voltaje de suministro V b a través del primario, por lo que en el caso ideal V p = V b .
- V s , voltaje a través del devanado secundario
- V z , voltaje de carga fijo causado, por ejemplo, por el voltaje inverso de un diodo Zener o el voltaje directo de un diodo emisor de luz (LED).
- I m , la corriente de magnetización en el primario
- I pico, m , corriente de magnetización máxima o "pico" en el primario. Ocurre inmediatamente antes de T abierto .
- N p , número de vueltas primarias
- N s , número de vueltas secundarias
- N, la relación de vueltas definido como N s / N p ,. Para un transformador ideal que opera en condiciones ideales, I s = I p / N, V s = N × V p .
- L p , (auto) inductancia primaria, un valor determinado por el número de vueltas primarias N p al cuadrado , y un "factor de inductancia" A L . La autoinductancia se escribe a menudo como L p = A L × N p 2 × 10 −9 henries. [1]
- R, interruptor combinado y resistencia primaria
- U p , energía almacenada en el flujo del campo magnético en los devanados, representada por la corriente magnetizante I m .
Un análisis más detallado requeriría lo siguiente:
- M = inductancia mutua, su valor determinado por el grado en que el campo magnético creado por el primario se acopla (es compartido por) el secundario, y viceversa. acoplamiento. El acoplamiento nunca es perfecto; siempre existe el llamado "flujo de fuga" primario y secundario. Normalmente se calcula a partir de medidas de cortocircuito secundario y cortocircuito primario.
- L p, fuga = autoinductancia que representa el campo magnético creado y acoplado solo a los devanados primarios
- L s, fuga = autoinductancia que representa el campo magnético creado y acoplado solo a los devanados secundarios
- C devanados = entre devanados capacitancia. Existen valores para las vueltas primarias solamente, las vueltas secundarias solamente y los devanados primario a secundario. Generalmente combinado en un solo valor.
Operación durante T cerrado (tiempo en el que el interruptor está cerrado)
Cuando el interruptor (transistor, tubo) se cierra, coloca la fuente de voltaje V b a través del primario del transformador. La corriente de magnetización I m del transformador [2] es I m = V primario × t / L p ; aquí t (tiempo) es una variable que comienza en 0. Esta corriente de magnetización I m "cabalgará" sobre cualquier corriente secundaria reflejada I s que fluya hacia una carga secundaria (por ejemplo, en el terminal de control del interruptor; corriente secundaria reflejada en la = Yo s / N). La corriente primaria cambiante provoca un campo magnético cambiante ("flujo") a través de los devanados del transformador; este campo cambiante induce un voltaje secundario (relativamente) estable V s = N × V b . En algunos diseños (como se muestra en los diagramas), el voltaje secundario V s se suma al voltaje de fuente V b ; en este caso porque el voltaje a través del primario (durante el tiempo que el interruptor está cerrado) es aproximadamente V b , V s = (N + 1) × V b . Alternativamente, el interruptor puede obtener parte de su voltaje o corriente de control directamente de V b y el resto de los V s inducidos . Por lo tanto, el voltaje o la corriente de control del interruptor está "en fase", lo que significa que mantiene el interruptor cerrado y (a través del interruptor) mantiene el voltaje de la fuente a través del primario.
En el caso cuando hay poca o ninguna primaria resistencia y poca o ninguna resistencia del interruptor, el aumento de la corriente de magnetización I m es un "lineal rampa", definido por la fórmula en el primer párrafo. En el caso de que haya una resistencia primaria significativa o una resistencia de conmutación o ambas (resistencia total R, por ejemplo, resistencia de la bobina primaria más una resistencia en el emisor, resistencia del canal FET), la constante de tiempo L p / R hace que la corriente de magnetización sea un Curva ascendente con pendiente continuamente decreciente. En cualquier caso, la corriente magnetizante I m llegará a dominar la corriente primaria total (y de conmutación) I p . Sin un limitador aumentaría para siempre. Sin embargo, en el primer caso (baja resistencia), el interruptor eventualmente no podrá "soportar" más corriente, lo que significa que su resistencia efectiva aumenta tanto que la caída de voltaje a través del interruptor es igual al voltaje de suministro; en esta condición, se dice que el interruptor está "saturado" (por ejemplo, esto está determinado por la ganancia h fe o "beta" de un transistor ). En el segundo caso (por ejemplo, el primario y / o la resistencia del emisor dominante), la pendiente (decreciente) de la corriente disminuye hasta un punto tal que el voltaje inducido en el secundario ya no es adecuado para mantener el interruptor cerrado. En un tercer caso, el material del "núcleo" magnético se satura, lo que significa que no puede soportar más aumentos en su campo magnético; en esta condición falla la inducción de primaria a secundaria. En todos los casos, la tasa de aumento de la corriente de magnetización primaria (y por lo tanto el flujo), o la tasa de aumento del flujo directamente en el caso de material de núcleo saturado, cae a cero (o cerca de cero). En los dos primeros casos, aunque la corriente primaria continúa fluyendo, se acerca a un valor estable igual al voltaje de suministro V b dividido por la resistencia total R en el circuito primario. En esta condición de corriente limitada, el flujo del transformador será constante. Solo el cambio de flujo provoca la inducción de voltaje en el secundario, por lo que un flujo constante representa una falla de inducción. El voltaje secundario cae a cero. Se abre el interruptor.
Operación durante T abierto (tiempo cuando el interruptor está abierto)
Ahora que el interruptor se ha abierto en T abierto , la corriente de magnetización en el primario es I pico, m = V p × T cerrado / L p , y la energía U p se almacena en este campo "magnetizante" creado por I pico, m (energía U m = 1/2 × L p × I pico, m 2 ). Pero ahora no hay voltaje primario (V b ) para sostener más aumentos en el campo magnético, o incluso un campo de estado estable, el interruptor se abre y, por lo tanto, se elimina el voltaje primario. El campo magnético (flujo) comienza a colapsar, y el colapso fuerza la energía de regreso al circuito al inducir corriente y voltaje en las espiras primarias, secundarias o ambas. La inducción al primario será a través de las espiras primarias a través de las cuales pasa todo el flujo (representado por la inductancia primaria L p ); el flujo colapsante crea un voltaje primario que obliga a la corriente a continuar fluyendo desde el primario hacia el interruptor (ahora abierto) o hacia una carga primaria como un LED o un diodo Zener, etc. La inducción al secundario se realizará a través del giros secundarios a través de los cuales pasa el flujo mutuo (enlazado); esta inducción hace que aparezca voltaje en el secundario, y si este voltaje no está bloqueado (por ejemplo, por un diodo o por la impedancia muy alta de una puerta FET), la corriente secundaria fluirá hacia el circuito secundario (pero en la dirección opuesta). En cualquier caso, si no hay componentes para absorber la corriente, el voltaje en el interruptor aumenta muy rápido. Sin una carga primaria o en el caso de una corriente secundaria muy limitada, el voltaje estará limitado solo por las capacitancias distribuidas de los devanados (la llamada capacitancia de entrebobinado), y puede destruir el interruptor. Cuando solo hay capacitancia entrelazada y una pequeña carga secundaria para absorber la energía, se producen oscilaciones de muy alta frecuencia, y estas "oscilaciones parásitas" representan una posible fuente de interferencia electromagnética .
El potencial del voltaje secundario ahora cambia a negativo de la siguiente manera. El flujo que colapsa induce a que la corriente primaria fluya desde el primario hacia el interruptor ahora abierto, es decir, fluya en la misma dirección en la que fluía cuando se cerró el interruptor. Para que la corriente fluya fuera del extremo del interruptor del primario, el voltaje del primario en el extremo del interruptor debe ser positivo en relación con su otro extremo que está en el voltaje de suministro V b . Pero esto representa un voltaje primario opuesto en polaridad a lo que era durante el tiempo en que el interruptor estaba cerrado: durante T cerrado , el extremo del interruptor del primario era aproximadamente cero y, por lo tanto, negativo en relación con el extremo de suministro; ahora durante T abierto se ha vuelto positivo en relación con V b .
Debido al "sentido de devanado" del transformador (dirección de sus devanados), el voltaje que aparece en el secundario ahora debe ser negativo . Un voltaje de control negativo mantendrá el interruptor (por ejemplo, transistor bipolar NPN o FET de canal N) abierto , y esta situación persistirá hasta que la energía del flujo colapsante haya sido absorbida (por algo). Cuando el absorbedor está en el circuito primario, por ejemplo, un diodo Zener (o LED) con voltaje V z conectado "al revés" a través de los devanados primarios, la forma de onda actual es un triángulo con el tiempo t abierto determinado por la fórmula I p = I pico , m - V z × T abierto / L p , aquí pico, siendo m la corriente primaria en el momento en que se abre el interruptor. Cuando el absorbedor es un capacitor, las formas de onda de voltaje y corriente son una onda sinusoidal de 1/2 ciclo, y si el absorbedor es un capacitor más resistor, las formas de onda son una onda sinusoidal amortiguada de 1/2 ciclo.
Cuando por fin se completa la descarga de energía, el circuito de control se "desbloquea". El voltaje de control (o corriente) al interruptor ahora puede "fluir" hacia la entrada de control y cerrar el interruptor. Esto es más fácil de ver cuando un capacitor "conmuta" el voltaje o la corriente de control; la oscilación del timbre lleva el voltaje o la corriente de control desde negativo (interruptor abierto) a través de 0 hasta positivo (interruptor cerrado).
Tasa de repetición 1 / (T cerrado + T abierto )
En el caso más simple, la duración del ciclo total (T cerrado + T abierto ), y por lo tanto su tasa de repetición (el recíproco de la duración del ciclo), es casi totalmente dependiente de la inductancia de magnetización del transformador L p , la tensión de alimentación y la tensión de carga V z . Cuando se utilizan un condensador y una resistencia para absorber la energía, la tasa de repetición depende de la constante de tiempo RC , o la constante de tiempo LC cuando R es pequeño o inexistente (L puede ser L p , L so L p, s ).
Patentes
- Patente de Estados Unidos 2211852, [3] presentada en 1937, " Aparato oscilador de bloqueo ". (basado en un tubo de vacío ).
- Patente de Estados Unidos 2745012, [4] presentada en 1951, " Osciladores de bloqueo de transistores ".
- Patente de EE.UU. 2780767, [5] presentada en 1955, " Disposición de circuito para convertir un voltaje bajo en un voltaje directo alto ".
- Patente de Estados Unidos 2881380, [6] presentada en 1956, " Convertidor de voltaje ".
Ver también
Notas al pie
- ^ A L representa la geometría de las bobinas (su longitud y área y separación, etc.), la geometría de la trayectoria magnética a través del material magnético (si está presente) - su área y longitud - el material magnético (si está presente), y constantes físicas fundamentales. Los "núcleos" sin espacios en materiales magnéticos continuos tienen A L que van desde 1000 a 10,000; los núcleos con huecos tienen A L que van de 100 a 1000. Varillas, "tapones", medios núcleos, etc. tienen A L en el rango de 10 a 100. Existe una fórmula similar para la inductancia secundaria L s . Para referencia, consulte las páginas 7-13 del "gran catálogo" de Ferroxcube con fecha del 01 de septiembre de 2008. En el Capítulo 10, Cálculo de inductancia, en Langford-Smith 1953: 429-449,se puede encontrar cómo determinar la inductancia de bobinas sin material magnético.
- ^ Esto es exacto cuando las resistencias del primario y del interruptor son pequeñas con respecto a la caída de voltaje a través de la inductancia (L × dI prmary / dt; di / dt es el cambio en la corriente con respecto al tiempo
- ^ Patente estadounidense 2211852 .: "Aparato oscilador de bloqueo", presentada el 22 de enero de 1937, consultado el 16 de agosto de 2016
- ^ Patente de EE . UU . 2745012 .: "Osciladores de bloqueo de transistores", presentada el 18 de agosto de 1951, consultada el 16 de agosto de 2016
- ^ Patente de EE . UU . 2780767 .: "Disposición de circuito para convertir un voltaje bajo en un voltaje directo alto", presentada en 1955, recuperada el 16 de agosto de 2016
- ^ Patente estadounidense 2881380 .: "Convertidor de voltaje", presentada el 15 de octubre de 1956, consultada el 16 de agosto de 2016
Referencias
- Jacob Millman y Herbert Taub, 1965, Pulse, digitales y formas de onda de conmutación: dispositivos y circuitos para su generación y procesamiento , McGraw-Hill Book Company, NY, LCCCN 64-66293. Consulte el Capítulo 16 "Circuitos de oscilador de bloqueo", páginas 597-621 y las páginas de problemas 924-929. Millman y Taub observan que "de hecho, la única diferencia esencial entre el oscilador sintonizado y el oscilador de bloqueo está en la rigidez del acoplamiento entre los devanados del transformador". (pág.616)
- Joseph Petit y Malcolm McWhorter, 1970, Circuitos electrónicos de conmutación, temporización y pulsos: 2da edición , McGraw-Hill Book Company, NY, LCCCN: 78-114292. Consulte el capítulo 7 "Circuitos que contienen inductores o transformadores" páginas 180-218, en particular los capítulos 7-13 "El oscilador de bloqueo monoestable" p. 203ff y 7-14 "El oscilador de bloqueo astable" p. 206ff.
- Jacob Millman y Christos Halkias, 1967, Circuitos y dispositivos electrónicos , McGraw-Hill Book Company, NY, ISBN 0-07-042380-6 . Para obtener una versión sintonizada del oscilador de bloqueo, es decir, un circuito que producirá bonitas ondas sinusoidales si se diseña correctamente, consulte 17-17 "Osciladores de circuito resonante" págs. 530–532.
- F. Langford-Smith, 1953, Radiotron Designer's Handbook , cuarta edición, Wireless Press (Wireless Valve Company Pty., Sydney, Australia) junto con Radio Corporation of America, Electron Tube Division, Harrison NJ (1957).
enlaces externos
- El oscilador de bloqueo , página web de James B. Calvert . Una descripción elemental (sin matemáticas) e informativa de varios circuitos de oscilador de bloqueo, que emplean BJT y triodos .
- Modelos de circuitos para predecir el rendimiento de conmutación de osciladores de bloqueo de nanosegundos , J. McDonald, IEEE Transactions on Circuits and Systems , 1964, Volumen 11, Número 4, 442-448. Un artículo que deriva algunos modelos de circuitos para predecir el rendimiento de conmutación delbloqueo BJT osciladores.