過壓觸發(fā)放電電路設(shè)計(jì)與調(diào)試

最近突發(fā)奇想，想設(shè)計(jì)一個(gè)電路，這個(gè)電路的功能是當(dāng)電路兩端電壓超過某一門限時(shí)，整個(gè)電路導(dǎo)通，直到兩端電壓下降到接近0為止。如果將這個(gè)電路并聯(lián)在電容兩端，就可以在電容電壓超過門限后將電壓釋放到接近0V。這種電路的行為接近單穩(wěn)態(tài)電路，但與555定時(shí)芯片搭建的單穩(wěn)態(tài)電路相比，我這個(gè)電路 不需要獨(dú)立的供電電源 ，可以認(rèn)為是個(gè)無源電路。如果將這個(gè)電路并聯(lián)在RC濾波電路的電容兩側(cè)，就可以組成振蕩電路，輸出三角波。本文講解一下這個(gè)電路從需求分析到設(shè)計(jì)調(diào)試的整個(gè)過程。

根據(jù)以上需求設(shè)計(jì)電路，首先需要從兩個(gè)動(dòng)作門限入手，再此我們把切入放電的門限稱為 切入門限 ，退出放電的門限稱為 退出門限 ，要求切入門限比退出門限高，因此需要一個(gè)滯環(huán)電路。

振蕩電路中通常會有滯環(huán)電路，以三角波發(fā)生電路為例，可以簡化為前級的滯環(huán)和后級負(fù)積分電路兩部分，滯環(huán)電路內(nèi)部為正反饋，環(huán)路整體反饋為負(fù)反饋。當(dāng)輸出電壓處于滯環(huán)環(huán)寬范圍內(nèi)時(shí)，輸出電壓朝著一個(gè)方向積分，當(dāng)電壓接觸到滯環(huán)環(huán)寬邊界時(shí)，滯環(huán)電路輸出反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)積分電路輸出朝著反方向增長，如此反復(fù)使電路輸出不斷反轉(zhuǎn)，在輸出端獲得三角波，在滯環(huán)電路輸出端獲得方波。

三角波發(fā)生電路

如果我這個(gè)過壓觸發(fā)的放電電路使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，那就十分簡單了。但要考慮到運(yùn)放需要工作在穩(wěn)定的供電電壓兩端，這限制了應(yīng)用場景。目前僅考慮使用二極管三極管電容電阻等常規(guī)分離元件實(shí)現(xiàn)該功能。

首先考慮可以應(yīng)用自鎖電路實(shí)現(xiàn)滯環(huán)，當(dāng)達(dá)到動(dòng)作門限觸發(fā)自鎖電路，電路輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變并鎖定狀態(tài)，使用該狀態(tài)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管放電。當(dāng)電路觸發(fā)放電后，需要一直將電壓釋放直到接近0V。電壓到達(dá)接近0V時(shí)電路已經(jīng)處于沒有供電的狀態(tài)，自鎖將自動(dòng)解除。

關(guān)于設(shè)計(jì)自鎖電路，不知道大家還記不記得晶閘管的等效結(jié)構(gòu)，兩個(gè)三極管相互控制對方的基極，開通以后實(shí)現(xiàn)自鎖，這和我們的電路行為特征十分相似。 通過分立元件實(shí)現(xiàn)方式如下圖：

三極管自鎖電路

圖中的電阻可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，觸發(fā)輸入端增加了穩(wěn)壓管，用來設(shè)定觸發(fā)門限。 該電路雖然可以用于過壓觸發(fā)，但并不能在V+與V-之間提供一個(gè)低阻抗的放電通路，因此還需要額外增加一個(gè)開關(guān)管Q1。

如上圖增加了Q1作為放電管，Q1的門極的D2和C1用于提供放電延時(shí)，可以在前端自鎖電路已經(jīng)退出自鎖后仍然保持一段時(shí)間放電，將電壓放的更徹底一些。 電路前端放置了一個(gè)RC電路，將設(shè)計(jì)的電路并聯(lián)在電容兩端。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電路不能正常工作，電路兩端電壓大約1.3V，并保持在這個(gè)電壓。 經(jīng)過測量幾個(gè)基極節(jié)點(diǎn)的電壓發(fā)現(xiàn)電路進(jìn)入了線性工作狀態(tài)。 當(dāng)自鎖電路第一次觸發(fā)后，驅(qū)動(dòng)放電三極管Q1，當(dāng)電壓逐漸下降后自鎖電路還沒有退出自鎖狀態(tài)，但三極管Q1由于發(fā)射極與集電極的電壓差Vce下降，已經(jīng)退出了飽和導(dǎo)通狀態(tài)了，電流下降，最終進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)。

根據(jù)這個(gè)分析，考慮提高自鎖電路的退出門限電壓，如此自鎖電路提前退出自鎖狀態(tài)，使Q1關(guān)斷，電容電壓重新開始上升。

如上圖在Q2的發(fā)射極串聯(lián)了2.0V穩(wěn)壓管，假設(shè)穩(wěn)壓管為理想特性，則在電容C2電壓下降到2V時(shí)觸發(fā)電路會退出自鎖狀態(tài)，Q1關(guān)斷。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，已經(jīng)可以退出放電狀態(tài)，但放電效果并不算很理想，殘壓達(dá)到1.5V。 目前看來，仍然有一定風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)入線性區(qū)，假設(shè)電容電壓下降過程中，Q1的驅(qū)動(dòng)電壓下降緩慢，則可能進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)態(tài)，不能使Q1徹底關(guān)閉。 電容C1和二極管D2的存在可以一定程度上規(guī)避這個(gè)問題，相當(dāng)于為關(guān)斷增加了滯環(huán)。 其實(shí)這個(gè)問題可以追溯到控制環(huán)路參數(shù)的相關(guān)知識點(diǎn)。

目前猜測直接使用晶閘管也可以實(shí)現(xiàn)該功能，但不排除在晶閘管AK間電壓下降到一定程度時(shí)進(jìn)入并保持在線性導(dǎo)通狀態(tài)，后面如果有機(jī)會我會找個(gè)晶閘管試一下。