Oscilador de bloqueo

Un oscilador de bloqueo (a veces llamado oscilador de pulso ) es una configuración simple de componentes electrónicos discretos que puede producir una señal de funcionamiento libre , requiriendo solo una resistencia , un transformador y un elemento amplificador como un transistor o un tubo de vacío . El nombre se deriva del hecho de que el elemento amplificador está cortado o "bloqueado" durante la mayor parte del ciclo de trabajo , produciendo pulsos periódicos según el principio de un oscilador de relajación . La salida no sinusoidal no es adecuada para su uso como oscilador local de radiofrecuencia, pero puede servir como generador de tiempo, para alimentar luces, LED , cable EL o pequeños indicadores de neón . Si la salida se utiliza como una señal de audio , los tonos simples también son suficientes para aplicaciones como alarmas o un dispositivo de práctica de código Morse . Algunas cámaras utilizan un oscilador de bloqueo para hacer parpadear el flash antes de una toma para reducir el efecto de ojos rojos .

Debido a la simplicidad del circuito, constituye la base de muchos de los proyectos de aprendizaje de los kits electrónicos comerciales. El devanado secundario del transformador se puede conectar a un altavoz, una lámpara o a los devanados de un relé. En lugar de una resistencia, un potenciómetro colocado en paralelo con el condensador de sincronización permite ajustar la frecuencia libremente, pero con resistencias bajas el transistor puede verse sobrecargado y posiblemente dañado. La señal de salida saltará en amplitud y se distorsionará mucho.

El circuito funciona gracias a la retroalimentación positiva a través del transformador e implica dos tiempos: el tiempo T _cerrado cuando el interruptor está cerrado y el tiempo T _abierto cuando el interruptor está abierto. En el análisis se utilizan las siguientes abreviaturas:

• t, tiempo, una variable
• T _cerrado : instante en el que finaliza el ciclo cerrado y comienza el ciclo abierto. También es una medida del tiempo que dura el cierre del interruptor.
• T _abierto : instante en el que finaliza el ciclo abierto y comienza el ciclo cerrado. Igual que T=0. También es una medida del tiempo que dura el interruptor abierto.
• V _b , voltaje de fuente, p. ej. V _batería
• V _p , voltaje a través del devanado primario. Un interruptor ideal presentará un voltaje de suministro V _b a través del devanado primario, por lo que en el caso ideal V _p = V _b .
• V _s , voltaje a través del devanado secundario
• V _z , tensión de carga fija causada, por ejemplo, por la tensión inversa de un diodo Zener o la tensión directa de un diodo emisor de luz (LED).
• Soy corriente _magnetizante en el primario
• I _pico,m , corriente de magnetización máxima o "pico" en el primario. Se produce inmediatamente antes de T _abierto .
• N _p , número de vueltas primarias
• N _s , número de vueltas secundarias
• N, la relación de vueltas se define como N _s /N _p , . Para un transformador ideal que opera en condiciones ideales, I _s = I _p /N, V _s = N×V _p .
• L _p , autoinductancia primaria, un valor determinado por el número de vueltas primarias N _p al cuadrado y un "factor de inductancia" A _L . La autoinductancia se escribe a menudo como L _p = A _L ×N _p ² ×10 ⁻⁹ henries. ^[1]
• R, interruptor combinado y resistencia primaria
• U _p , energía almacenada en el flujo del campo magnético en los devanados, representada por la corriente magnetizante _Im .

Un análisis más detallado requeriría lo siguiente:

• M = inductancia mutua, cuyo valor se determina por el grado en que el campo magnético creado por el primario se acopla al secundario (es compartido por él) y viceversa. acoplamiento. El acoplamiento nunca es perfecto; siempre existe el llamado "flujo de fuga" primario y secundario. Generalmente se calcula a partir de mediciones del secundario en cortocircuito y del primario en cortocircuito.
  • L _p,leak = autoinducción que representa el campo magnético creado por, y acoplado a, los devanados primarios únicamente
  • L _s,leak = autoinducción que representa el campo magnético creado por, y acoplado a, los devanados secundarios únicamente
• _Bobinados C = capacitancia entre bobinados. Existen valores solo para las espiras primarias, solo para las espiras secundarias y para los bobinados primario a secundario. Generalmente se combinan en un único valor.

Cuando el interruptor (transistor, tubo de vacío) se cierra, coloca el voltaje de fuente V _b a través del primario del transformador. La corriente magnetizante Im _del transformador ^[2] es _Im = V _primary ×t/L _p ; aquí t (tiempo) es una variable que comienza en 0. Esta corriente magnetizante Im _" viajará sobre" cualquier corriente secundaria reflejada Is _que fluya hacia una carga secundaria (por ejemplo, hacia el terminal de control del interruptor; corriente secundaria reflejada en el primario = Is _/ N). La corriente primaria cambiante causa un campo magnético cambiante ("flujo") a través de los devanados del transformador; este campo cambiante induce un voltaje secundario (relativamente) estable _Vs = N×V _b . En algunos diseños (como se muestra en los diagramas), el voltaje secundario Vs _se suma al voltaje de fuente V _b ; en este caso, debido a que el voltaje a través del primario (durante el tiempo que el interruptor está cerrado) es aproximadamente V _b , _Vs = (N+1)×V _b . Alternativamente, el interruptor puede obtener parte de su voltaje o corriente de control directamente de V _b y el resto de la V _s inducida . Por lo tanto, el voltaje o corriente de control del interruptor está "en fase", lo que significa que mantiene el interruptor cerrado y (a través del interruptor) mantiene el voltaje de la fuente a través del primario.

En el caso en que haya poca o ninguna resistencia primaria y poca o ninguna resistencia de conmutación, el aumento de la corriente magnetizante Im _es una "rampa lineal" definida por la fórmula del primer párrafo. En el caso en que haya una resistencia primaria o una resistencia de conmutación significativas o ambas (resistencia total R, por ejemplo, resistencia de la bobina primaria más una resistencia en el emisor, resistencia del canal FET), la constante de tiempo L _p /R hace que la corriente magnetizante sea una curva ascendente con pendiente decreciente continua. En cualquier caso, la corriente magnetizante Im _llegará a dominar la corriente primaria (y de conmutación) total Ip _. Sin un limitador aumentaría para siempre. Sin embargo, en el primer caso (baja resistencia), el interruptor finalmente no podrá "soportar" más corriente, lo que significa que su resistencia efectiva aumenta tanto que la caída de voltaje a través del interruptor es igual al voltaje de suministro; en esta condición, se dice que el interruptor está "saturado" (por ejemplo, esto se determina por la ganancia h _fe o "beta" de un transistor). En el segundo caso (por ejemplo, cuando predomina la resistencia del emisor o del primario), la pendiente (decreciente) de la corriente disminuye hasta un punto tal que el voltaje inducido en el secundario ya no es adecuado para mantener cerrado el interruptor. En un tercer caso, el material del "núcleo" magnético se satura, lo que significa que no puede soportar más aumentos en su campo magnético; en esta condición, la inducción del primario al secundario falla. En todos los casos, la tasa de aumento de la corriente magnetizante primaria (y, por lo tanto, el flujo), o la tasa de aumento del flujo directamente en el caso de material del núcleo saturado, cae a cero (o cerca de cero). En los dos primeros casos, aunque la corriente primaria continúa fluyendo, se acerca a un valor constante igual al voltaje de suministro V _b dividido por la resistencia total R en el circuito primario. En esta condición de corriente limitada, el flujo del transformador será constante. Solo el cambio de flujo provoca la inducción de voltaje en el secundario, por lo que un flujo constante representa una falla de la inducción. El voltaje secundario cae a cero. El interruptor se abre.

Ahora que el interruptor se ha abierto en T _abierto , la corriente magnetizante en el primario es I _pico,m = V _p ×T _cerrado /L _p , y la energía U _p se almacena en este campo "magnetizante" creado por I _pico,m (energía U _m = 1/2×L _p ×I _pico,m ² ). Pero ahora no hay voltaje primario (V _b ) para sostener aumentos adicionales en el campo magnético, o incluso un campo de estado estable, el interruptor se abre y, por lo tanto, elimina el voltaje primario. El campo magnético (flujo) comienza a colapsar, y el colapso fuerza la energía de regreso al circuito induciendo corriente y voltaje en las espiras primarias, las espiras secundarias o ambas. La inducción en el primario será a través de las espiras primarias a través de las cuales pasa todo el flujo (representado por la inductancia primaria L _p ); El flujo que colapsa crea un voltaje primario que obliga a que la corriente continúe fluyendo, ya sea desde el primario hacia el interruptor (ahora abierto) o hacia una carga primaria, como un LED o un diodo Zener, etc. La inducción hacia el secundario se realizará a través de las espiras secundarias por las que pasa el flujo mutuo (enlazado); esta inducción hace que aparezca voltaje en el secundario y, si este voltaje no está bloqueado (por ejemplo, por un diodo o por la impedancia muy alta de una compuerta FET), la corriente secundaria fluirá hacia el circuito secundario (pero en la dirección opuesta). En cualquier caso, si no hay componentes que absorban la corriente, el voltaje en el interruptor aumenta muy rápido. Sin una carga primaria o en el caso de una corriente secundaria muy limitada, el voltaje estará limitado solo por las capacitancias distribuidas de los devanados (la llamada capacitancia entre devanados) y puede destruir el interruptor. Cuando solo hay capacitancia entre bobinados y una pequeña carga secundaria para absorber la energía, se producen oscilaciones de frecuencia muy alta, y estas "oscilaciones parásitas" representan una posible fuente de interferencia electromagnética .

El potencial del voltaje secundario ahora cambia a negativo de la siguiente manera. El flujo colapsante induce que la corriente primaria fluya hacia afuera del primario hacia el interruptor ahora abierto, es decir, que fluya en la misma dirección en la que fluía cuando el interruptor estaba cerrado. Para que la corriente fluya hacia afuera del extremo del interruptor del primario, el voltaje primario en el extremo del interruptor debe ser positivo en relación con su otro extremo, que está en el voltaje de suministro V _b . Pero esto representa un voltaje primario opuesto en polaridad a lo que era durante el tiempo en que el interruptor estaba cerrado: durante T _cerrado , el extremo del interruptor del primario era aproximadamente cero y, por lo tanto, negativo en relación con el extremo de suministro; ahora, durante T _abierto, se ha vuelto positivo en relación con V _b .

Debido al "sentido de bobinado" del transformador (dirección de sus bobinados), el voltaje que aparece en el secundario ahora debe ser negativo . Un voltaje de control negativo mantendrá abierto el interruptor (por ejemplo, transistor bipolar NPN o FET de canal N) , y esta situación persistirá hasta que la energía del flujo colapsante haya sido absorbida (por algo). Cuando el absorbedor está en el circuito primario, por ejemplo, un diodo Zener (o LED) con voltaje V _z conectado "al revés" a través de los bobinados primarios, la forma de onda de la corriente es un triángulo con el tiempo t _abierto determinado por la fórmula I _p = I _pico,m - V _z ×T _abierto /L _p , donde I _pico,m es la corriente primaria en el momento en que se abre el interruptor. Cuando el absorbedor es un condensador, las formas de onda de voltaje y corriente son una onda sinusoidal de 1/2 ciclo, y si el absorbedor es un condensador más resistencia, las formas de onda son una onda sinusoidal amortiguada de 1/2 ciclo.

Cuando por fin se completa la descarga de energía, el circuito de control se "desbloquea". El voltaje (o corriente) de control que va al interruptor ahora puede "fluir" libremente hacia la entrada de control y cerrar el interruptor. Esto es más fácil de ver cuando un capacitor "conmuta" el voltaje o la corriente de control; la oscilación de timbre lleva el voltaje o la corriente de control desde negativo (interruptor abierto) a través de 0 a positivo (interruptor cerrado).

En el caso más simple, la duración del ciclo total (T _cerrado + T _abierto ), y por lo tanto su tasa de repetición (el recíproco de la duración del ciclo), depende casi por completo de la inductancia magnetizante del transformador L _p , la tensión de alimentación y la tensión de carga V _z . Cuando se utilizan un condensador y una resistencia para absorber la energía, la tasa de repetición depende de la constante de tiempo RC , o de la constante de tiempo LC cuando R es pequeña o inexistente (L puede ser L _p , L _s o L _p,s ).

• Patente de EE.UU. 2211852, ^[3] presentada en 1937, " Aparato oscilador de bloqueo ". (basado en un tubo de vacío ).
• Patente de EE.UU. 2745012, ^[4] presentada en 1951, " Osciladores de bloqueo de transistores ".
• Patente de EE.UU. 2780767, ^[5] presentada en 1955, " Disposición de circuito para convertir un voltaje bajo en un voltaje directo alto ".
• Patente de EE.UU. 2881380, ^[6] presentada en 1956, " Convertidor de voltaje ".

• Convertidor flyback
• Convertidor de avance
• Ladrón de julios

• Millman, Jacob; Taub, Herbert (1965). "16. Circuitos osciladores de bloqueo". Formas de onda de pulso, digitales y de conmutación: dispositivos y circuitos para su generación y procesamiento . McGraw-Hill. pp. 597–621, Véase p. 616. Problemas 924–9. Bibcode :1965pdsw.book.....M. LCCN  64-66293. OCLC  896642528. De hecho, la única diferencia esencial entre el oscilador sintonizado y el oscilador de bloqueo está en la estrechez del acoplamiento entre los devanados del transformador.
• Petit, Joseph; McWhorter, Malcolm (1970). "7. Circuitos que contienen inductores o transformadores". Circuitos electrónicos de conmutación, temporización y pulsos (2.ª ed.). McGraw-Hill. págs. 180–218. LCCN  78-114292.En particular §7-13 "El oscilador de bloqueo monoestable" p. 203ff y §7-14 "El oscilador de bloqueo astable" p. 206ff.
• Millman, Jacob; Halkias, Christos (1967). Dispositivos y circuitos electrónicos . McGraw-Hill. ISBN 0-07-042380-6.Para una versión sintonizada del oscilador de bloqueo, es decir, un circuito que producirá bonitas ondas sinusoidales si se diseña adecuadamente, consulte 17-17 "Osciladores de circuito resonante", págs. 530–2.
• Langford-Smith, F. (1968) [1953]. Radiotron Designer's Handbook (4.ª ed.). Wireless Press (Wireless Valve Company Pty., Sídney, Australia) junto con Radio Corporation of America. OCLC  705976463.

• Calvert, James B. (2002). "El oscilador de bloqueo". Índice de electrónica . Universidad de Denver.Una descripción elemental (sin matemáticas) e informativa de varios circuitos osciladores de bloqueo, que emplean BJT y triodos .
• McDonald, J. (1964). "Modelos de circuitos para predecir el rendimiento de conmutación de osciladores de bloqueo de nanosegundos". IEEE Transactions on Circuit Theory . 11 (4): 442–8. ​​doi :10.1109/TCT.1964.1082353.Un artículo que deriva algunos modelos de circuitos para predecir el rendimiento de conmutación de los osciladores de bloqueo BJT .