Comprendiendo un esquemático LED PNP/NPN

Question

Compré y soldé un kit de linterna muy barato de China. Me gustaría entender cómo funciona, sin embargo, específicamente, por qué utiliza una combinación de un transistor PNP y un transistor NPN (esquemático de la página del producto está abajo).

Si el circuito termina en un estado estable (es decir: congelado), entonces el inductor actúa como un simple cable - por lo que el LED termina estando directamente conectado a los 5V (lo que no sería bueno para su longevidad). EDICIÓN Estaba equivocado aquí - esto era con batería, por lo tanto, 1.5V, ¡no 5V!.

Por lo tanto, este circuito claramente no está diseñado para llegar a tal estado estable - está diseñado (presumiblemente) para oscilar. No estoy seguro de por qué alguien querría eso - pero incluso si ese es el caso, ¿no se podría lograr con solo un único transistor - cuya base sería impulsada por el capacitor, colocado entre la base y el suelo? es decir, el voltaje que sube en un capacitor de carga llega a 0.6V, el transistor se abre, ilumina el LED, el capacitor se carga de nuevo...

Claramente estoy pasando por alto algo aquí - ¿por qué los dos transistores?

P.D. Novato en electrónica, sé amable :-) P.P.D. Podría agregar un enlace al producto, pero no quiero que esta publicación sea clasificada incorrectamente como spam.

ACTUALIZACIÓN: Simulado en LTSpice:

... y ahora veo que aumenta el voltaje! Lo cual tiene mucho sentido, ahora que me doy cuenta de que el LED necesita más de 1.5V (la batería AAA que agregué).

Sin embargo, ¿cómo lo hace? Más búsqueda en Google en camino, ahora que conozco el propósito...

2da ACTUALIZACIÓN

Mi teoría hasta ahora: los 20K bajan la base del PNP a tierra, por lo que inicialmente el PNP está encendido (V_BE negativo, más negativo que 0.6V) - lo que significa que el NPN también está encendido (V_BE también mucho más alto que 0.6V). Ambos transistores están por lo tanto fuertemente encendidos - y la corriente fluye a través del inductor a través de Q2 a tierra. Pero ninguna corriente llega al LED - ya que tiene un umbral de voltaje más alto - necesita más que los 1.5V de la batería.

Es aquí donde empiezo a perderme... Creo que la corriente también fluye a través del inductor para cargar el capacitor a través de R1... Estoy suponiendo que en algún momento el Q1 se apaga (y por lo tanto, también lo hace el Q2). Pero no estoy seguro de cómo el capacitor realiza este "corte" - mientras se carga, el voltaje V_BE sigue aumentando, por lo que no estoy seguro de cómo el Q1 llega a apagarse...

Al mirar otras cosas en LTSpice estoy más desconcertado - por ejemplo, muestra que la corriente del inductor es siempre negativa:

Rascándome la cabeza... Cualquier ayuda/consejo de los gurús electrónicos será bienvenida.

Answer 1

Resumen

Sólo para meter el esquema en el editor soportado aquí y dibujarlo de una forma un poco mejor para el análisis:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

He desechado el interruptor (implícito.) He dejado de pasar la corriente por el bus y sólo he utilizado una toma de tierra y \$V_\text{CC}\$ indicador, en cambio. Esto ayuda a centrarse un poco mejor en el esquema sin cables que distraen y que no contribuyen mucho a la comprensión. Pero salvo el interruptor, es exactamente el mismo esquema que has proporcionado.

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

Operación

\$R_1\$ inicialmente tira hacia abajo en \$Q_1\$ y lo hace girar completamente en . Esto también significa que \$Q_1\$ El colector de la empresa tira hacia arriba de \$R_2\$ y gira \$Q_2\$ totalmente en También. De este modo, se aplica el \$V_\text{CC}\$ a través de \$L_1\$ (menos un poco \$V_{\text{CE}2_\text{SAT}}\$ necesario para \$Q_2\$ .)

Con una tensión aplicada a través del inductor ideal \$L_1\$ la corriente en \$L_1\$ subirá según 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. En su lugar, algo va a cambiar.

Las únicas dos posibilidades son:

1. \$Q_2\$ saliendo de la saturación porque la corriente de recombinación de la base no es suficiente para seguir aumentando la corriente del colector eternamente; o bien,
2. El material de base utilizado en la fabricación de \$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 la 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 nominal en modo activo, pero sólo un poco menos).

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

Juntos, y esto ocurre rápidamente, ambos BJTs se encuentran convertidos fuera de .

Una vez que ambos BJTs están completamente fuera de , \$L_1\$ no le queda más remedio. Debe mantener su corriente y su dirección hasta que pueda conseguir el tiempo que necesita para descargar su energía almacenada y dejar que su corriente descienda hasta cero. Para que la corriente en \$L_1\$ a la baja, el signo de \$\frac{\text{d}I_L}{\text{d}t}\$ debe cambiar. Para que ese signo cambie, la tensión a través de \$L_1\$ también debe cambiar de signo. Así que el inductor responde a \$Q_2\$ girando fuera de invirtiendo repentinamente la tensión a través de sí mismo. Esto significa que el \$Q_2\$ se encuentra de repente por encima del valor de \$V_\text{CC}\$ . De hecho, el inductor no dejará de aumentar la magnitud de su tensión invertida hasta que la corriente que lo atraviesa pueda continuar como antes. Dado que el propio LED no se "encenderá" lo suficiente como para manejar esa corriente hasta que se alcance cierta tensión necesaria, el inductor alcanza casi instantáneamente cualquier tensión necesaria para que el LED conduzca ese pico de corriente.

Una vez conseguido esto, \$L_1\$ conduce su corriente a través del LED, ya que también disminuye su corriente hacia el cero.

Cuando (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 la tensión del lado izquierdo de \$C_1\$ para bajar de repente la misma cantidad. (Mientras tanto, \$C_1\$ también está siendo arrastrado 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 atrás en y comienza a suministrar corriente de recombinación de la base a \$Q_2\$ . \$Q_2\$ responde tirando hacia abajo y este hecho tira aún más hacia abajo del lado derecho de \$C_1\$ , provocando que el lado izquierdo de \$C_1\$ para bajar aún más, provocando \$Q_1\$ para encender aún más fuerte que antes. Eso suministra más corriente de base a \$Q_2\$ . Etc.

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

Un diseño

Hagamos un diseño. Supondremos un funcionamiento en modo discontinuo.

Supongamos que \$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 hoja de datos nos dice que no debemos sobrepasar una \$100\:\text{mA}\$ (el periodo del pulso es \$\le 100\:\mu\text{s}\$ .) Elijamos un pico de corriente en \$L_1\$ de \$80\:\text{mA}\$ . (La corriente de colector en \$Q_2\$ también alcanza su punto máximo en este valor).

Dada la tasa estimada anteriormente de \$4.2\frac{\text{mA}}{\mu\text{s}}\$ sabemos que el en período debe ser de alrededor de \$\approx 19\:\mu\text{s}\$ . Vamos a redondear eso a \$t_\text{on}=20\:\mu\text{s}\$ (las piezas varían demasiado para ser más precisas).

El voltaje del LED alcanzará un pico en \$3.2\:\text{V}+2\:\Omega\cdot 80\:\text{mA}=3.36\:\text{V}\$ por lo que la media a través del LED será de aproximadamente \$3.3\:\text{V}\$ . Cuando fuera de la tensión a través de \$L_1\$ será la diferencia o alrededor de \$1.8\:\text{V}\$ . Así que el fuera de el tiempo requerido es de al menos \$\frac{330\:\mu\text{H}\,\cdot\, 80\:\text{mA}}{1.8\:\text{V}}\$ . Vamos a redondear esto a \$t_\text{off}=15\:\mu\text{s}\$ .

Así que si realmente tenemos 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 que se consiga repercutirá directamente en esta frecuencia).

Recordemos que \$Q_2\$ se queda sin corriente de recombinación cuando \$\beta\$ se acerca a su valor nominal en modo activo. Un BJT 2N2222A típico tiene un valor nominal de \$\beta=200\$ (aunque varían unos de otros). Utilicemos \$\beta_2=120\$ como punto de activación de la transición. Esto significa que la corriente de base debe estar limitada a \$\frac{80\:\text{mA}}{120}\approx 670\:\mu\text{A}\$ .

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

El momento \$Q_1\$ empieza a salir de la saturación, todo el proceso se dispara de todos modos, así que tenemos que utilizar un valor de \$10\le \beta_1\le 30\$ para explicar su comportamiento. (Obsérvese sólo el \$\beta_1\$ necesaria para una condición de saturación total para \$Q_1\$ .) Utilicemos \$\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 con \$C_1\$ ? Proporciona un "impulso" para girar \$Q_1\$ encendido y apagado. Pero el propósito principal es asegurarse de que el período de tiempo es lo suficientemente largo para que \$L_1\$ puede descargarse completamente. Si \$C_1\$ es demasiado pequeño, seguirá oscilando pero el inductor ya no funcionará en modo discontinuo. Por lo tanto, debe ser lo suficientemente grande. \$C_1\$ no controla el BJT en tiempo, pero si es lo suficientemente grande afecta a la fuera de tiempo debido a su interacción con \$R_1\$ .

En este circuito, una vez \$L_1\$ se descarga el lado derecho de \$C_1\$ estará en \$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}\$ por encima de \$V_\text{CC}\$ . Esto tiene que bajar a por lo menos \$500\:\text{mV}\$ debajo de \$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}\$ . Sólo llámalo \$C_1=4.7\:\text{nF}\$ .

Así que el circuito resultante es:

simular este circuito

El esquema anterior en LTspice es:

La forma de onda de la corriente del inductor resultante es:

La frecuencia resultante es de aproximadamente \$11.7\:\text{kHz}\$ . No está muy lejos de lo que me propuse utilizando ecuaciones simplificadas y redondeando a componentes de valor estándar. Y los picos de corriente también están bastante cerca.

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

Nota a pie de página sobre la dirección de la corriente en los dispositivos LTspice

Nota: Usted mencionó la lectura de una corriente negativa y tengo que señalar que debes 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 se ven normalmente. Pero LTspice sí los ve. Cuando pasas el ratón por encima del dispositivo, habrá habrá una pequeña flecha que le dice en qué dirección LTspice "ve" la corriente que fluye. Si la corriente convencional fluye en esa dirección Si la corriente convencional fluye en esa dirección, la informa como positiva. Si no, la informa como negativa. Si no te gusta lo que informa, puedes coger la puede tomar la pieza e invertir su dirección usando la tecla "ctrl-E" y luego y volver a colocar la pieza en el esquema, de nuevo. No es más grave que eso.