Estou tentando adquirir algumas habilidades sobre geração de pulsos, mas isso não é fácil. Tentei derivar a energia dissipada pelo resistor de entrada no meu gerador de pulsos, mas acaba sendo muito menor que a potência real (se estiver correta). Onde está meu erro?
O gerador de pulsos é um simples gerador de pulsos de transistor de avalanche de relaxamento.
Aqui está uma foto
Edit: os resistores de 50 Ohms visíveis na imagem estão desconectados. Somente os 50 Ohm do atenuador desempenham um papel aqui. Aqui está minha derivação do poder dissipado:
O oscilador é alimentado através de um resistor ( no esquema) carregando um capacitor ( no esquema) e descarregando através do transistor na resistência de carga (= R4 no esquema).
Podemos visualizar o pulso com o osciloscópio.
Assumiremos aqui que o pulso tem aproximadamente a forma de um triângulo de ângulo reto, cujo canto do ângulo reto está em . Seja a altura do triângulo (em Volts) e sua base (em segundos). Portanto, a equação da forma do pulso é aproximadamente
Isso fornece a energia dissipada em por um único pulso:
(1/3 da energia dissipada por uma onda quadrada, isto é faz sentido). Vamos assumir que a frequência dos pulsos é , então a energia dissipada em em um segundo, que também é a potência média, é
Agora, estamos interessados na avaliação da capacitância . Seja a menor tensão de alimentação de entrada, de modo que ocorram oscilações no transistor de avalanche. A tensão final do capacitor antes de sua descarga no transistor é aproximadamente , então sua energia é . Mas essa energia é quase inteiramente transmitida pelo pulso ao transistor e , então, negligenciando a energia desperdiçada pelo transistor (que verifiquei para permanecer fria), é igual à energia calculada acima. Isso leva a:
Finalmente, vamos avaliar a potência dissipada pelo resistor . Lembre-se de que a energia desperdiçada em um resistor que carrega uma capacitância até a tensão de alimentação é (a mesma que a energia armazenada no capacitor). Para uma boa aproximação (desde é muito maior do que ), toda a corrente que flui através é utilizado para carga .
Portanto, com , temos finalmente que a energia dissipada por em um segundo, ou a potência média, é aproximadamente
Este é um resultado curioso: a potência dissipada pelo resistor de entrada é igual à potência dissipada pelo resistor de carga.
Se , temos
Aplicativo para o meu gerador (veja as imagens acima):
,
,
,
,
,
(1,8V no osciloscópio, com atenuador de 30db),
,
Isso fornece
Mas também medi ,
o que fornece
Isso muito mais que o poder teórico. Onde está o erro / suposição errônea?
Respostas:
Então, depois de uma semana, finalmente tenho a resposta do enigma. Penso que a resposta é interessante, em particular para as pessoas que pretendem lidar com o colapso das avalanches.
A primeira coisa que fiz, seguindo o conselho de Sunnyskyguy, foi ajustar a tensão nos terminais do R2, a fim de verificar se a corrente medida pelo amperímetro analógico estava errada. Surpreendentemente, pode-se deduzir da imagem abaixo que o Amperímetro era notavelmente exato: a corrente média é de fato de cerca de 0,6mA. Aqui está a imagem da tensão em um terminal de R1 (entre R1 e R2):
Existe uma sonda 1:10, portanto a tensão é a soma de 125V com a média de um dente de serra de altura 25V, ou seja, 125V + 12,5V = 137,5V. A tensão do gerador é 162V, portanto, a corrente média que passa através de R1 é (162V - 137,5V) / (R1 = 41k) = 0,6mA aprox.
Depois de ter resolvido isso, notei que há um grande problema: para onde a carga está fluindo? Em 1s, acabamos de ver que uma carga de 0,6 mC está fluindo. Mas é muito fácil calcular a carga que flui através do resistor de 50 ohm do atenuador na imagem do pulso (veja a pergunta): o pulso tem uma altura de 57 V e a forma de um triângulo de ângulo reto da base 10 ns, então a carga gerada por um único pulso é e multiplicando pelo número de pulsos em 1 segundo (25kHz), encontramos uma carga de cerca de 0,15 mC durante 1 segundo. Isso é muito menor que os 0,6 mC que fluem através do gerador. Então, onde a maior parte da carga está fluindo? existe apenas outro caminho em que a corrente pode fluir: ATRAVÉS DO RESISTOR DE BASE R3.125750⋅10ns
Para verificar isso, construí um teste rápido e sujo com um transistor 2N3904, cujo emissor é deixado aberto e a corrente reversa que flui do coletor para a base é medida com o Amperímetro. Na primeira figura abaixo, a base é conectada ao terra através de um resistor de 10k (como na pergunta), e na segunda figura, a base é diretamente conectada ao terra:
[
Portanto, 0,6 mA no primeiro caso e 1,2 mA no segundo caso.
Observe que há um salto de corrente precisamente na tensão da avalanche (150 V); antes disso, a base do coletor quase não está conduzindo e, após esse limiar, essa junção se torna cada vez mais condutora, e eu até observei uma resistência negativa em alguma tensão. Isso significa que após a tensão de ruptura da avalanche, a corrente da base do coletor é cada vez mais controlada pelo resistor da base, até atingir o limite da lei de Ohm: I = 160V / 10k = 16mA (que meu gerador não pode alimentar) .
Para concluir esta resposta, pode-se aprender com esta pergunta que a corrente reversa na base do coletor se torna muito importante após a tensão limiar da avaria da avalanche e deve ser considerada muito seriamente em relação à dissipação de energia e à corrente de alimentação.
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Agora, espero uma corrente de carga de entrada crescente exponencial e um pulso de descarga triangular.
Vejo o período de oscilação como 40us e pulso como 9 ~ 10ns com um ciclo de trabalho aparente de 10n / 40u = 250 ppm ou 0,025%, para que possamos negligenciar esse erro que contribui com o exposto acima.
Você está medindo a forma do pulso de saída triangular descarregada com <1ns de tempo de subida e ~ 10ns de largura de pulso base e espera que toda a energia dissipada no resistor de carga de 50 Ohm seja 100% da energia fornecida pelo gerador de CC de alta tensão. No entanto, é apenas 1/3 da potência de entrada. {0,32 = 5,8mA / 18mW}
Portanto, a pergunta que você deveria estar se perguntando é: se minhas medições são precisas, para onde foram os outros 2/3 da potência?
Mesmo que o transistor tenha dissipado alguma energia em sua resistência negativa e usando um TO-92, ele tem uma diferença de resistência térmica do ambiente para o caso de Tca = 0,127 ['C / mW] {= Tja = Tjc [' C / W]} . Portanto, com apenas 12mW faltando , você não deve presumir que pode detectar quanto disso é dissipado facilmente com o dedo!
- Lá usei a diferença da folha de dados na resistência térmica entre o caso de junção e o ambiente, para provar isso.
Então, para onde foi a energia? 98% despejado nos resistores de carregamento. !!!
dica: nos resistores de carga R1 e R2 e alguns na resistência negativa do Q1
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