Um oscilador de bloqueio é uma das formas mais simples de osciladores que é capaz de produzir oscilações auto-sustentáveis através do uso de apenas alguns componentes passivos e um único ativo.
O nome “bloqueio” é aplicado devido ao fato de que a comutação do dispositivo principal na forma de um BJT é bloqueada (corte) com mais frequência do que é permitido conduzir durante o curso das oscilações e, portanto, o nome oscilador de bloqueio .
Onde um oscilador de bloqueio é normalmente usado
Este oscilador irá gerar uma saída de onda quadrada que pode ser efetivamente aplicada para fazer circuitos SMPS ou quaisquer circuitos de comutação semelhantes, mas não pode ser usado para operar equipamentos eletrônicos sensíveis.
As notas de tom geradas com este oscilador tornam-se perfeitamente adequadas para alarmes, dispositivos de prática de código morse, carregadores de bateria sem fio etc. o famoso efeito de olhos vermelhos.
Devido à sua configuração simples, este circuito oscilador é amplamente utilizado em kits experimentais, e os alunos acham muito mais fácil e interessante apreender seus detalhes rapidamente.
Como funciona um oscilador de bloqueio
Para fazer um oscilador de bloqueio, a seleção dos componentes torna-se bastante crítica para que ele funcione com os melhores efeitos.
O conceito de um oscilador de bloqueio é realmente muito flexível, e o resultado dele pode ser amplamente variado, simplesmente variando as características dos componentes envolvidos, como os resistores, o transformador.
O transformador aqui especificamente se torna uma parte crucial e a forma de onda de saída depende muito do tipo ou da marca desse transformador. Por exemplo, quando um transformador de pulso é usado em um circuito oscilador de bloqueio, a forma de onda atinge a forma de ondas retangulares que consistem em períodos de subida e descida rápida.
A saída oscilante deste design torna-se efetivamente compatível com lâmpadas, alto-falantes e até relés.
Um único resistor pode ser visto controlando a frequência de um oscilador de bloqueio e, portanto, se esse resistor for substituído por um potenciômetro, a frequência se torna manualmente variável e pode ser ajustada conforme a necessidade do usuário.
No entanto, deve-se tomar cuidado para não reduzir o valor abaixo de um limite especificado, o que poderia danificar o transistor e criar características de forma de onda de saída inusitadamente instáveis. Recomenda-se sempre posicionar um resistor fixo de valor mínimo seguro em série com o potenciômetro para evitar esta situação.
Operação do circuito
O circuito funciona com a ajuda de feedbacks positivos através do transformador, associando dois períodos de tempo de comutação, a saber, o tempo Tclosed quando a chave ou o transistor está fechado e o tempo Topen quando o transistor está aberto (não conduzindo). As seguintes abreviações são usadas na análise:
- t, tempo, uma das variáveis
- Tclosed: instante no final do ciclo fechado, inicialização do ciclo aberto. Também uma grandeza do tempo duração quando o interruptor está fechado.
- Topen: instante a cada final do ciclo aberto, ou início do ciclo fechado. O mesmo que T=0. Também uma grandeza do tempo duração sempre que o interruptor estiver aberto.
- Vb, tensão de alimentação, por exemplo, Vbattery
- Vp, tensão dentro de o enrolamento primário. Um transistor chaveador ideal permitirá uma tensão de alimentação Vb no primário, portanto, em uma situação ideal, Vp será = Vb.
- Vs, tensão através o enrolamento secundário
- Vz, tensão de carga fixa resultante, por exemplo, da tensão oposta de um diodo Zener ou da tensão direta de um (LED) conectado.
- Im, magnetizando corrente através do primário
- Ipeak,m, mais alto ou o “pico” da corrente de magnetização no lado primário do trafo. Ocorre pouco antes de Topen.
- Np, o número de voltas primárias
- Ns, o número de voltas secundárias
- N, a razão de enrolamento também definida como Ns/Np, . Para um transformador perfeitamente configurado trabalhando em condições ideais, temos Is = Ip/N, Vs = N×Vp.
- Lp, auto-indutância primária, um valor calculado pelo número de voltas primárias Np ao quadrado, e um “fator de indutância” AL. A auto-indutância é frequentemente expressa com a fórmula Lp = AL×Np2×10−9 henries.
- R, interruptor combinado (transistor) e a resistência primária
- Para cima, a energia acumulada dentro do fluxo do campo magnético através dos enrolamentos, expressa pela corrente magnetizante Im.
Operação durante Tclosed (tempo em que a chave está fechada)
No momento em que o transistor chaveador é ativado ou acionado, ele aplica a tensão da fonte Vb sobre o enrolamento primário do transformador.
A ação gera uma corrente de magnetização Im no transformador como Im = Vprimary×t/Lp;
onde t (tempo) pode ser uma variação com o tempo e inicia em 0. A corrente de magnetização especificada Im agora “cai sobre” qualquer corrente secundária gerada reversa Is que pode induzir a carga no enrolamento secundário (por exemplo, no controle terminal (base) da chave (transistor) e posteriormente revertida para corrente secundária no primário = Is/N).
Essa alteração de corrente no primário, por sua vez, gera um fluxo magnético alterado dentro dos enrolamentos do transformador; o que permite uma tensão bastante estabilizada Vs = N×Vb no enrolamento secundário.
Em muitas das configurações, a tensão secundária Vs pode somar-se à tensão de alimentação Vb; devido ao fato de que a tensão no lado primário é aproximadamente Vb, Vs = (N+1)×Vb enquanto a chave (transistor) está no modo de condução.
Assim, o procedimento de comutação pode ter a tendência de adquirir uma parte de sua tensão ou corrente de controle diretamente de Vb enquanto o restante passa por Vs.
Isso implica que a tensão de controle da chave ou a corrente estaria “em fase”
No entanto, em uma situação de ausência de uma resistência primária e resistência desprezível na comutação do transistor, pode resultar em um aumento na corrente de magnetização Im com uma “rampa linear” que pode ser expressa pela fórmula fornecida no primeiro parágrafo.
Por outro lado, suponha que haja uma magnitude significativa de resistência primária para o transistor ou ambos (resistência combinada R, por exemplo, resistência da bobina primária junto com um resistor conectado ao emissor, resistência do canal FET), então a constante de tempo Lp/R poderia resultar em um curva de corrente de magnetização crescente com inclinação de queda consistente.
Em ambos os cenários, a corrente de magnetização Im terá um efeito de comando através do primário combinado e da corrente de transistor Ip.
Isso também implica que, se um resistor limitador não for incluído, o efeito poderá aumentar infinitamente.
No entanto, como estudado acima durante o primeiro caso (baixa resistência), o transistor pode, em última análise, falhar em lidar com o excesso de corrente, ou simplesmente, sua resistência pode tender a aumentar a um ponto em que a queda de tensão no dispositivo pode se tornar igual à tensão de alimentação; causando saturação completa do dispositivo (que pode ser avaliada a partir do ganho de um transistor hfe ou especificações “beta”).
Na segunda situação (por exemplo, inclusão de uma resistência primária e/ou de emissor significativa) a inclinação (queda) da corrente pode chegar a um ponto em que a tensão induzida sobre o enrolamento secundário simplesmente não seja suficiente para manter o transistor na posição de condução.
No terceiro cenário, o núcleo usado para o transformador pode atingir o ponto de saturação e entrar em colapso, o que, por sua vez, o impediria de suportar qualquer magnetização adicional e proibiria o processo de indução do primário para o secundário.
Assim, podemos concluir que durante todas as três situações discutidas acima, a taxa na qual a corrente primária aumenta ou a taxa de aumento do fluxo no núcleo do trafo no terceiro caso pode mostrar uma tendência de queda para zero.
Dito isto, nos dois primeiros cenários, descobrimos que apesar do fato de a corrente primária parecer continuar sua alimentação, seu valor toca um nível constante que pode ser exatamente igual ao valor de alimentação dado por Vb dividido pela soma das resistências R no lado primário.
Em tal condição de “limitação de corrente”, o fluxo do transformador pode tender a mostrar um estado estacionário. Exceto o fluxo variável, que pode continuar induzindo tensão no lado secundário do trafo, isso implica que um fluxo constante é indicativo de uma falha do processo de indução no enrolamento, resultando na queda da tensão secundária para zero. Isso faz com que o interruptor (transistor) abra.
A explicação abrangente acima explica claramente como funciona um oscilador de bloqueio e como este circuito oscilador altamente versátil e flexível pode ser usado para qualquer aplicação especificada e ajustado para o nível desejado, conforme o usuário pode preferir implementar.
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