电感负载开关电路分析

登录 · 发表于 2020-11-1 17:39

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-1 17:41 编辑

开关电源等电路中，经常要分析电感负载电路的工作原理，当然了，感性负载可以是继电器之类的，这在空调控制板等也是常见的。

本贴将作详细理论分析。

电路原理简图如下：

我们假输入脉冲Iin的幅度足够大，能让管子导通，那么从上电瞬间到管子导通，而且是饱和的，再到管子截止，电路中发生了什么变化？

登录 · 发表于 2020-11-1 17:46

实战家和理论家的区别，是要看到电路中隐藏的隐秘器件，而理论家看电路原理图有什么，就计算什么，没画的零件不用考虑。

所以，实战家首先建立一个比较完整的模型：继电器不但要有电感L，还要有电阻RL，另外还有寄生电容C。
为防止电感将管子击穿，还要加续流二极管D，完整考虑起见，再加个R1：

所以实际的电路图如下：

登录 · 发表于 2020-11-1 17:53

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-1 18:02 编辑

激励为低期间，管子不通，那么其工作点Q为（VCC，0），如下图所示：

现在激励变为高电平，假设ib值足够大，能让管子导通。于是管子电流Ic从零，垂直跳变到下图中的A点，即β*Ib点：

但是，管子不是立即导通，而是要有延迟！！！我们来对这个延迟建模。
电容C开始是没有充电的，所以要恒流对电容C充电：

随着充电过程的进行，工作点开始从A移动到B点，如下图所示，对应的电路模型也给出了：

到B点后，管子饱和喽，第一阶段任务顺利完成。

登录 · 发表于 2020-11-1 18:04

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-1 18:11 编辑

管子饱和后，要切换模型了--------用一小电阻rs模拟管子的导通电阻，然后重点元件电感L粉墨登场：

这个电路的负载线可好画了----横轴交与VCC，纵轴交与Ic1=VCC/(RL+rs)

登录 · 发表于 2020-11-1 18:16

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-1 18:18 编辑

激励干完活（由高变低），他妈喊他回家吃饭了。

但是对于管子来说，粗活重活才开始。

此时对应恢复工作区模型如下：

如果加电阻和二极管限制电压，那么工作路线改成下图，看下图中的粗红线：

上图中VD为二极管的压降。

发表于 2020-11-1 18:25

详细分析起码还得半小时以上，先去吃饭。

这里是想说明：
理论功底扎实，想过渡到实战家，只隔一层窗户纸，一捅就破。
如果不懂理论，拿着示波器瞅波形，不容易看出波形背后隐藏的理论背景，此时想从临时【实战家】转化成真正的实战家，要花大把时间研究理论去喽。这隔的不是一层窗户纸，而是一座山了。理论枯燥乏味，要看死不少脑细胞。

登录 · 发表于 2020-11-2 15:21

king5555 发表于 2020-11-2 13:36
本帖技术含量高。很多人版主头衔不见了。最有看头的是模电小组版块，应继续充实內容。其它版块应予以废除。 ...

这种电路，是个电工都知道，尤其是图中那个二极管的作用，即便是中学生水平的空调维修工，都能知道。

但是同样的电路，不同水平的人理解程度不一样。

这个电路的理解，一是电路理论，另一个是器件物理，两个方面都必须懂。

这个电路中的三极管，其基区少数载流子电荷分布，有4种情形，估计很少有电工能搞清楚的，但是看过器件手册，都知道些术语---恢复延迟等。

麻雀虽小，五脏俱全。
这个电路也是，包含的知识点有一大堆。

@gx_huang · 发表于 2020-11-2 15:29

例如电动机的工作原理，农村大字不识一个的建筑工，都知道搅拌机上的两个电容名称--启动电容、运行电容。
他们还知道电机嗡嗡电流声，就是不转，是启动电容坏了，他们自己都会换电容。

但是他们这些人不知道，他们机器上的运行电容，十台机器有九台，都是早已失效的（电容量几乎为零）。
他们误以为电机转动了，那个运行电容就是好的。

他们不知道怎么自制启动电容，找两个220V/680uF的电解电容，负极连在一起，就能当450V/400uF的启动电容用了。

登录 · 发表于 2020-11-2 19:58

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-2 20:09 编辑

西交大翻译的这本国外名著，关于波特图的稳定判据，说法是错误的。

而其它方面，如论文，即便是核心期刊上的高质量论文，也有不少是错误的，受当时的知识背景约束，当时看不出来而已。

所以说，学习可不是简单的看书看论文，这么简单，要去伪存真的，难度还是比较大的。

发表于 2020-11-3 07:27

好**，学习学习！！

发表于 2020-11-3 09:21

xukun977 发表于 2020-11-1 17:53
激励为低期间，管子不通，那么其工作点Q为（VCC，0），如下图所示：

分析这么多没有多大用，其实就是电感对电流的保持作用

iL(s) = VL(s)/s*L + iL(0-)/s

iL(0-)/s 初始电流需要提供一个续流通道

如果没有这个续流通道，三极管的这个RCE（等效的CE电阻）上将产生一个高压，RCE越大，电压越高

发表于 2020-11-3 09:30

技术最高，本贴讨论的技术，只要你真懂模电，有几年经验，理解不难。
记得刚工作大约几年后，自己搭的控制电路，继电器线圈好像是12V供电的，用9014之类的三极管驱动，续流二极管忘记焊接了，就迫不及待的做实验，MCU可以控制继电器了，很高兴，突然想起续流二极管没有焊接，咋三极管没有击穿呢？然后继续做实验，示波器测试集电极波形，继电器释放瞬间，抓到了脉冲高压，大约40-50V，反复多次三极管没有损坏，好像三极管标称耐压30V以上，也许40V不坏是有余量，也许是脉冲能量不够，虽然瞬间击穿也没有损坏，但是一直有疑问。如果三极管瞬间击穿，到底是真的短路？还是变成40V的稳压二极管，热击穿后才短路？反正这些是半导体技术关注的，我们工程师只要不极限使用即可，也就懒得继续研究了。反正知道，电视机行管的击穿是真的直接短路了，但是短路前的物理过程，也只有想想而已。

发表于 2020-11-3 11:26

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-3 11:27 编辑

如果负载电感是继电器，分析起来还有点小麻烦。

电感未吸合时可能等价于电阻和电感的串联，例如500欧+100mH,但是一旦上电吸合，气隙闭合，于是电感可能变成例如300mH.

电感突变有什么后果？

登录 · 发表于 2020-11-3 12:16

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-3 12:24 编辑

下面继续装腔作势，气死周瑜。

下图中曲线形状，代表fT或者hFE:

这个图，普通电子爱好者也能知道，因为流传甚广的小鬼子晶体管电路设计中，有说到。

但是，为何曲线要是这个形状，需要懂器件工作原理，普通电子爱好者就搞不清了。

问题牵扯到教科书第12章，晶体管的参数与工作点之间的关系，其中涉及到3个参数：

其中跨导gm是正比于|Ic|
cpi分成两部分，其中Cb部分正比于gm和管子宽度W的平方
而Cu与Ic无关。

有了这些知识作铺垫，现在可以解释fT的性状了，但是还要说明：fT和hFE,与管子的VCE和IC都有关系，只看鬼子的书可能会误以为只与Ic有关了
所以，完整的表达图形应该是这样的：

这个图类似于地理中的等高线，图中某条线代表fT为某个固定值时的情形。很明显最高fT的选择，不但要看Ic，还要看Vce才能确定。

发表于 2020-11-3 23:19

好帖
楼主请继续！

登录 · 发表于 2020-11-4 08:30

本帖最后由 xukun977 于 2020-11-4 09:40 编辑

现在将要证明:对于低功率电路，想把能量储存在电感里，比储存在电阻里还难。

对于模拟电视机或模拟示波器，需要偏转线圈，此时期望的偏转线圈放大器中关键波形如下图：

根据电路原理可知，VCC=L*Im/T1,因为Vce远小于VCC对于这种电路，而Vce最大值为VCC*T/T2，所以有：

所以，晶体管的平均功耗，至少是电感储能的频率f倍大！！！！
而且峰值功耗比平均功耗大！！

所以，此时需要在管子集电极连接一个电容-二极管整流电路，减小管子的消耗功率，用以恢复电感中的储能。

登录 · 发表于 2020-11-11 13:08

老话说的好：物以稀为贵。

没有比较，就没有伤害，就体会不到这个句老话。
网上有不少视频，你们看看哪个能有我说的详细的。

我上面说了，这个电路看着简单，也是常见的不行了
但是真想透彻分析一遍，需要一堆知识点，牵扯到器件物理和电路原理密切结合，这个问题可一点也不简单。

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