Sự khác biệt lớn giữa công suất lý thuyết và thực tế thông qua bộ tạo xung của tôi

Tôi đang cố gắng để có được một số kỹ năng về tạo xung, nhưng điều đó không dễ dàng. Tôi đã cố gắng lấy được năng lượng tiêu tán bởi điện trở đầu vào trong bộ tạo xung của mình, nhưng hóa ra nó nhỏ hơn nhiều so với công suất thực tế (nếu tôi đúng). Lỗi của tôi ở đâu?

Các máy phát xung là một máy phát xung bóng bán dẫn thư giãn đơn giản.

Đây là một bức tranh

Chỉnh sửa: các điện trở 50Ohm hiển thị trong hình bị ngắt kết nối. Chỉ có 50 Ohm của bộ giảm âm đóng vai trò ở đây. Đây là nguồn gốc của tôi về sức mạnh tiêu tan:

Bộ tạo dao động được cung cấp qua điện trở $R$ ( $= R1+R2$ trong sơ đồ) sạc tụ $C$ ( $C_1$ trong sơ đồ) và xả qua bóng bán dẫn vào điện trở tải $R_L$ (= R4 trong sơ đồ).

Chúng ta có thể hình dung xung với máy hiện sóng.

Chúng ta sẽ giả sử ở đây rằng xung có hình dạng gần như là một tam giác góc vuông, có góc vuông nằm ở $(0,0)$ . Gọi $V$ là chiều cao của tam giác (tính bằng Vôn) và $\sigma$ cơ sở của nó (tính bằng giây). Vì vậy, phương trình của hình dạng xung là khoảng

$$u(t) = V - {V\over \sigma}t.$$

Điều này cho năng lượng tiêu tan trong $R_L$ bởi một xung đơn:

$$E = {1\over R_L}\int_0^\sigma u^2(t) dt = {1\over R_L} \bigg[ -{\sigma\over 3V}\bigg(V - {V\over \sigma} t\bigg)^3\bigg]_0^\sigma = {\sigma\over 3R_L}V^2$$ (1/3 năng lượng tiêu tán bởi một sóng vuông, điều này có ý nghĩa). Chúng ta hãy giả định tần số của xung là$f$, sau đó năng lượng tiêu tan trong$R_L$trong một giây, cũng là công suất trung bình, là $$P_{mean} = fE = {f\sigma\over 3R_L}V^2.$$

Bây giờ, chúng ta đang quan tâm đến việc đánh giá của điện dung $C$ . Đặt $V_{av}$ là điện áp cung cấp đầu vào nhỏ nhất sao cho dao động của bóng bán dẫn xảy ra. Điện áp cuối cùng của tụ điện trước khi phóng điện vào bóng bán dẫn là apro xấp xỉ $V_{av}$ , do đó năng lượng của nó là $E_{cap} = CV_{av}^2/2$ . Nhưng năng lượng này gần như được truyền hoàn toàn bởi xung tới bóng bán dẫn và $R_L$ , vì vậy, bỏ qua năng lượng bị lãng phí bởi bóng bán dẫn (mà tôi đã kiểm tra để giữ mát), nó bằng với năng lượng $E$ tính ở trên. Điều này dẫn đến:

$$C = {2\sigma\over 3R_L}{V^2\over V_{av}^2}.$$

Cuối cùng, chúng ta hãy đánh giá sức mạnh tiêu tan bởi các điện trở $R$ . Nhớ lại rằng năng lượng lãng phí trong một điện trở sạc một điện dung $C$ đến việc cung cấp điện áp $U$ là $CU^2/2$ (giống như năng lượng dự trữ trong các tụ điện). Để một xấp xỉ tốt (từ $1/f$ là lớn hơn nhiều so $\sigma$ ), tất cả các dòng điện chảy qua $R$ được sử dụng để sạc $C$ .

Vì vậy, với $U = V_{av}$ , cuối cùng chúng ta cũng có năng lượng tiêu tán bởi $R$ trong một giây, hoặc công suất trung bình, xấp xỉ

$$P^R_{mean} = {1\over 2} f C V_{av}^2 = {f\sigma\over 3R_L}V^2 = P_{mean}.$$ Đây là một kết quả gây tò mò: công suất tiêu tán bởi điện trở đầu vào bằng công suất tiêu tán của điện trở tải.

Nếu $U > V_{av}$ , sau đó chúng ta có

$$P_{mean}^{R} = {f\sigma\over 3R_L}{U^2\over V_{av}^2} V^2 = {U^2\over V_{av}^2} P_{mean}.$$

Ứng dụng cho trình tạo của tôi (xem hình trên):

$R_L = 50\ \Omega$ ,

$R = 41 +10 = 51\ k\Omega$ ,

$\sigma = 10\ ns$ ,

$\Delta = 40\ \mu s$

$f = 1/\Delta = 25 \ kHz$

$V = 1.8\sqrt{1000} = 57\ V$

$V_{av} = 150\ V$

$U = 160V$

$$P_{mean} = 5.4\ mW;$$ $$C = 19\ pF,$$ $$P_{mean}^{R} = 5.8 \ mW;$$

$I_{supply} = 0.6\ mA$

$$P^R_{mean \ actual} = R I^2_{supply} \approx 18\ mW.$$

Điều này nhiều hơn sức mạnh lý thuyết. Đâu là sai lầm / giả định sai lầm?

Vì vậy, sau một tuần, cuối cùng tôi đã có câu trả lời của sự đố kị. Tôi nghĩ rằng câu trả lời là thú vị, đặc biệt là cho những người có ý định đối phó với sự cố tuyết lở.

Điều đầu tiên tôi làm, theo lời khuyên của Sunnyskyguy, là đo điện áp ở các cực của R2, để kiểm tra xem dòng điện được đo bằng Ampe kế tương tự có sai không. Đáng ngạc nhiên là đủ, có thể suy ra từ hình ảnh bên dưới rằng Ampe kế có độ chính xác đáng kể: dòng điện trung bình thực sự là khoảng 0,6mA. Dưới đây là hình ảnh của điện áp tại một cực của R1 (giữa R1 và R2):

Có đầu dò 1:10, do đó điện áp là tổng của 125V với giá trị trung bình của răng cưa có chiều cao 25V, đó là 125V + 12,5V = 137,5V. Điện áp của máy phát là 162V, do đó dòng điện trung bình chạy qua R1 là (162V - 137,5V) / (R1 = 41k) = 0,6mA.

$${1\over 2}{57\over 50} \cdot 10 ns$$

Để kiểm tra điều đó, tôi đã xây dựng một thử nghiệm nhanh và bẩn với bóng bán dẫn 2N3904, có bộ phát bị bỏ ngỏ và dòng điện ngược dòng từ bộ thu đến đế được đo bằng Ampe kế. Trong hình đầu tiên bên dưới, cơ sở được kết nối với mặt đất thông qua điện trở 10k (như trong câu hỏi) và trong hình thứ hai, cơ sở được kết nối trực tiếp với mặt đất:

[

Vì vậy, 0,6 mA trong trường hợp thứ nhất và 1,2 mA trong trường hợp thứ hai.

Lưu ý rằng có một bước nhảy chính xác ở điện áp tuyết lở (150 V); trước đó, cơ sở thu thập gần như không tiến hành, và sau ngưỡng này, điểm nối này sẽ ngày càng nhanh chóng tiến hành hơn, và tôi thậm chí còn quan sát thấy một điện trở âm ở một số điện áp. Điều đó có nghĩa là sau khi điện áp sự cố tuyết lở, dòng cơ sở collector ngày càng được điều khiển bởi điện trở cơ sở, cho đến khi đạt đến giới hạn của định luật Ohm: I = 160V / 10k = 16mA (mà máy phát của tôi không thể cung cấp) .

Để kết luận câu trả lời này, có thể rút ra được câu hỏi này rằng dòng điện ngược chiều của bộ thu trở nên rất quan trọng sau điện áp ngưỡng sự cố tuyết lở, và cần được xem xét rất nghiêm túc về việc tiêu tán điện và dòng cung cấp.

Bây giờ tôi mong đợi một dòng phí đầu vào tăng theo cấp số nhân và xung phóng điện hình tam giác.

Tôi thấy chu kỳ dao động là 40us và xung là 9 ~ 10ns với chu kỳ nhiệm vụ rõ ràng là 10n / 40u = 250 ppm hoặc 0,025% để chúng ta có thể bỏ qua lỗi đóng góp này ở trên.

Bạn đang đo hình dạng xung đầu ra hình tam giác được xả với thời gian tăng <1ns và độ rộng xung cơ sở ~ 10ns và mong đợi rằng tất cả công suất tiêu tán trong điện trở tải 50 Ohm là 100% năng lượng được cung cấp bởi máy phát DC điện áp cao. Tuy nhiên, nó chỉ bằng 1/3 công suất đầu vào. {0,32 = 5,8mA / 18mW}

Vì vậy, câu hỏi bạn nên tự hỏi mình là, nếu số đo của tôi là chính xác, 2/3 sức mạnh còn lại đi đâu?

Ngay cả khi bóng bán dẫn tiêu tan một số năng lượng trong điện trở âm và sử dụng TO-92, nó vẫn có chênh lệch điện trở nhiệt từ môi trường xung quanh đến trường hợp Tca = 0.127 ['C / mW] {= Tja = Tjc [' C / W]} . Vì vậy chỉ 12mW bị thiếu , bạn không nên cho rằng bạn có thể phát hiện bao nhiêu phần đó bị tiêu tan dễ dàng bằng ngón tay của bạn!
- Ở đó, tôi đã sử dụng sự khác biệt của bảng dữ liệu về điện trở nhiệt giữa Vỏ máy và Vỏ xung quanh, để chứng minh điều này.

Vậy năng lượng đã đi đâu? 98% đổ trong điện trở sạc. !!!

gợi ý: trong điện trở sạc của R1 & R2 và một số điện trở âm của Q1