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自同步线圈震荡电路
发布:2019-12-16

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在“神秘的能量来源”推文中探讨了视频中永磁钢珠在铜桥上震荡的情况。视频中还给出了对应的震荡驱动电路。

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单线圈驱动永磁钢珠往返运动

最初认为,是自激振荡电路驱动线圈产生交变磁场,然后推动磁性钢球往返运动。但认真思考就会发现这会出现两个问题:

(1)如果震荡电路的频率与钢球在曲面桥上的的机械振荡频率不相同,线圈所产生的交变磁场就无法与钢球同步,这样线圈时所产生的磁场就一会儿对钢球是推动力,一会儿是阻尼力,最终钢球会停止震荡。

(2)仔细分析视频中给出的电路,也会发现这个电路不是一个真正的多谐震荡电路。电路中的互补三极管T1,T2组成形成互锁的晶闸管(Thyristor)电路。一旦导通,这个电路就无法自行恢复,形成持续的震荡。

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视频中给出的电路无法震荡

实际上,只有将电路中的R1从原来的6k欧姆减少到510欧姆左右,电路才会出现间歇震荡。也就是当T1,T2形成的晶闸管电路将原来存储在C1(1000uF)中的电能释放掉,T1,T2才从原来的导通恢复到截止。

下图显示了实验中上述电路间歇震荡中储能电容C1上的电压(蓝色曲线)曲线和电路输出到线圈上的电压曲线(绿色曲线)。

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电路所形成的间歇震荡波形

由NPN,PNP的确可以形成互补多谐振荡电路,但是反馈器件不能够是电阻,而应该是电容。

如下图所示,就是将原来电路中反馈电阻R3替换成反馈电容C1,该电路便可以产生脉冲震荡。电路中输出负载使用了 一个8欧姆的扬声器替代电磁线圈。

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互补晶体管组成的多谐振荡电路

C1将电路的输出信号从T1的集电极反馈到T2的基极,这是一个正反馈。因此电路很快就从放大状态进入到T1,T2饱和导通状态,电路输出高电平。

随着C1充电,反馈到T2基极上的电压逐步减小,最终T2脱离饱和,重新进入放大状态。此时又由于正反馈的作用,很快使得T1,T2进入截止状态,电路输出低电平。下图显示了互补多谐振荡电路各点的电压波形。

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互补多谐震荡电路各点波形

再随偏置电路R1,R2往C1充电,逐步抬高T2的基极电压,最终重新使得T2进入放大状态,电路于是开启第二个震荡周期。

电路的震荡频率与C1,R2的乘积(时间常数)有关,也与电位器R1提供的偏压有关系。在C1,R2固定的情况下,R1提供的偏压越大,震荡频率越高。

下图显示了R1处的偏压在逐步升高的过程中,T2的基极电压,电路的震荡频率的变化情况。

自激振荡电路随着偏压增加,T1基极电压以及震荡频率变化曲线

上面的曲线显示了自激振荡电路的一个神奇的特性,即负阻抗特性。这是从T2的基极对地之间的阻抗呈现负阻抗特性。随着R1提供的偏置电压增加,流过R2的电流增加,也就是流进T2基极的偏置电流增加,而T2的电压反而在电路震荡之后却下降。

这种特殊的负阻抗特性,还会引起其他的震荡。比如,在T2对地之间加入电感,或者电容等储能器件,此时,由于T2的基极对地之间呈现负阻抗特性,电路将会出现间歇振荡。

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在T2的基极对地之间引入L1,C2等储能器件

上述电路中,可以只加入C2,或者L1,都会引起电路从原来稳定的震荡,变成间歇振荡。这是C2,L1中的能量在负阻抗端口上出现间歇充电和放电的引起的。

下图显示了间歇振荡时,电路的输出电压信号和T2的基极信号。由于T2的基极电压呈现锯齿波的变化,震荡频率也变化。在扬声器中就会出现类似鸟鸣的啁啾(Chirp)声音。

间歇震荡波形:电路输出信号:粉红色,T2基极信号:绿色

最后再回到本文一开始的问题。通过上述分析,可以知道在视频中所给出的电路,本质上不是一个自激振荡电路,而是一个由线圈感应脉冲触发的放电电路。

原来电路中的R1(6k),C1(1000uF)所组成的充电回路的时间常数大约是6秒钟,远远大于永磁钢球在铜丝桥面上往复运动的周期。所以,如果钢球不运动,该电路不震荡,或者是以很长(大于6秒钟)的周期间歇放电。

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啁啾间歇震荡电路

当永磁钢球在桥面上往复运动时,就会在线圈中产生感应电动势。当感应电动势电压升高的时候,就会通过反馈电阻R3施加在的T1的基极上,使得T1,T2所形成的等效晶闸管导通,C1上的电能就通过线圈放电,将电能通过线圈转化成钢球的动能。

如果钢球在线圈中所产生的电压是负极性的时候,就不会产生放电,电源会继续通过R1往C1中充电。

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面包板上的实验电路

并联在线圈两端的发光二极管(D1)是在C1放电结束时,T1,T2截止瞬间,为线圈提供续流通道。此时,会看到发光二极管被点亮一瞬间。

所以,在视频中给出的电路中,线圈同时担任两个功能:第一个功能是检测永磁钢球是否通过线圈,并且极性是正确的,即此时产生了正的感应电压;第二个功能就是在T1、T2导通时,C1中的电能释放到线圈,并产生磁场推动钢球加速运动。

综上所述,视频中的驱动电路会自动与钢球往复运动同步,并不断的将电能转换成钢球运动的动能。

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分析一个电路是否属于正常的自激振荡电路,除了有针对性的分析之外,对于常见到的多谐振荡电路熟记于心,就能够立即发现看到的电路中的特殊之处了。

下面给出了几种常见到的多谐震荡电路的形式。

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由双NPN晶体管组成的无稳态多谐振荡器

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由运算放大器组成的无稳态多谐振荡器

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由斯密特触发器组成的无稳态多谐振荡器

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由CMOS反相器组成的无稳态多谐振荡器

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由555集成电路组成的无稳态多谐振荡器

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由互补晶体管组成的多谐振荡器

end

来源TsinghuaJoking丨侵删

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