电路为什么会反转？

• 电子打火电路^[1]

01 电路反转

一、前言

  前两天对于一款电子打火器电路的 原理进行了仿真，初步弄清楚它的工作机制。但是，对于该电路为何从饱和到截止过程的细节还没有想的太清楚。特别是当三极管退出饱和之后，为什么它 一定变化到截止，而不是始终处在放大状态。对此，我们再对该电路进行深入的探讨。

二、电路仿真

  搭建LTspice模型。使用两个电感代表变压器两个互感线圈。同铭端分别是上边和下边。他们之间的耦合系数设为1。三极管集电极的电压通过整流二极管 D2 给C1充电。下面分别观察三极管集电极电压以及基极电压。同时观察流过集电极电感上的电流。

  运行仿真，可以观察到电路震荡波形。将数据导入Python，可以更加清晰的绘制出仿真波形。

  选择其中一个三极管截止过程，展开波形，可以观察到三极管从饱和到截止的过程。这里是在切换过程中，三极管集电极以及基极电压波形。当集电极电流超过一定 阈值，三极管退出饱和，集电极电压开始上升，这个上升电压信号，经过两个线圈耦合，反相之后，使得基极上的电压开始下降。

  可以看到其中 有一个突变点。在这个突变点处，三极管突然从导通转向截止。这个过程实际上是三极管处在放大阶段，由于是正反馈，所以基极上的电压经过正反馈放大之后，使得三极管突然变成截止。那么在这个截止之前，三极管处在放大阶段发生了什么事情呢？ 可以看到，基极电压是在下降，集电极将下降的基极电压放大形成上升的电压。这个过程是正反馈，相互加剧，最终导致三极管截止。随后，三极管基极电压维持在 0.6V左右。基极电压的负脉冲是集电极电压通过电感耦合之后，再经过连接二极管寄生电容最终施加到基极形成的。在此过程中，基极电压变化始终是减小的。集电极电压变化是增加了。是对基极电压反相放大的结果。使用一个山峰表示三极管两个状态，左边是导通，右边是截止。当三极管从饱和退出到放大状态之后，当放大倍数超过1之后，原本它处在一个不稳定的动态平衡状态。此时，由于基极电压的变化已经是在减小的方向。也就是处在最高峰的这个小球有了 一个往右的初始速度。所以对于他来讲，它只会从山顶的平衡状态往右运动。接下来，随着它下落的距离增加，下落的速度更快，反应了此时三极管的正反馈过程。最终达到了截止状态。反之，如果在三极管恢复到放大状态的时候，基极电压是在增加的，对于这个小球的初速度是往左的。最终，他会落在左边。对应三极管从放大状态重新回到饱和状态。由此我们知道，三极管从饱和退到放大状态，通过正反馈，最终只能落在截止状态。从截止状态恢复到放大状态，通过正反馈只能达到饱和状态。就像处在山顶的小球，究竟落在那一边，取决于它在山顶的初始速度。

  下面再看一下三极管重新导通过程，选择其中一个截止脉冲，当三极管截止的后期，集电极电感中的电流衰减到最后，出现了这个一个凸起，具体原因不详。接下来，似乎看到三极管基极电压有一个下降过程。放大基极电压，可以看到在临近三极管导通之前，的确有一段时间，基极电压居然降低到0V以下。估计是因为三极管集电极的下降电压，引起的基极电压下降。这是因为，三极管的集电极与基极之间有一个杂散电容，当集电极电压降低到5V以下，基极电压开始上升到 最终，也是通过正反馈，使得三极管达到饱和状态。

※ 总  结 ※

  虽然电路仿真的结果与实际电路之间有差别，但是它可以消除实际电路测量中的噪声干扰的影响，使得最终信号变化的细节展现出来。这是电路仿真比实际电路观察强的一方面，通过这些细节的展示，剔除了观察噪声，便于我们了解电路变化背后的细节。我们也由此知道了这个振荡电路变化背后的机理。