从电蚊拍电路学习自激振荡和倍压

jf201006

电蚊拍实际是利用高压电击蚊子，电路主要由自激振荡和升压两部分电路组成。
迟到（过了立秋）的帖子。主要内容如下：
一、变压器自激和升压
（一）单管器正反馈自激振荡电路
    1、共集电极（射极跟随器）自激振荡
    2、共发射极自激振荡
（二）双管推挽振荡电路
二、小电流倍压电路
（一）信克尔倍压介绍
（二）科克罗夫特-沃尔顿倍压介绍
（三）其他一些倍压电路
三、实物拆解

一、变压器自激和升压
（一）单管器正反馈自激振荡电路
1、共集电极（射极跟随器）自激振荡

（1）明确电路的组成
变压器T1三组独立绕组:
主功率绕组N2：引脚3和4
4脚→Q1的E极
3脚→地
反馈绕组N1：引脚1和2
1脚→通过限流电阻R1接Q1的B极
2脚→Q1的B极，也是电源正极
同名端：2●、3●
次级高压绕组N3：引脚5和6（输出高压，接后级倍压，本次不讨论）
（2）自激振荡工作过程
t0：正反馈雪崩起始点；
阶段①
触发条件：开机瞬间或截止期结束，Q1基极获得启动电流，IB微增。
电流路径：+4V→Q1集电极C→Q1发射极E→N2（4脚→3脚）→GND。
N2自感应极性：4脚为（+），3脚为（-）。
N1感应极性：1脚为（+），2脚为（－）。
Q1的E极和B极电位都上升，由于N1与N1的匝比大于1（N1/N1>1），
所以VB↑>VE↑，Q1的BE结电压VBE=VB-VE净增长为正（↑）。VBE极性正（强）
结果：VBE增大→IB增大→IE进一步增大→感应更强。
结论：形成强烈正反馈雪崩，Q1在极短时间内进入深度饱和状态。
t1：进入线性储能区；
阶段②
工作状态：Q1饱和导通，VCE≈0.2V，发射极电位近似等于+4V。
电流变化：N2绕组电流随时间线性上升。
磁芯状态：变压器磁芯内部的磁通量Φ随电流线性增加，不断储存磁能。
反馈状态：正反馈电压依然维持，但已不再增强（此时受R1限流和基极钳位限制，基极电流恒定）。
此时，VB稳，VE稳。VBE极性正（强）
t2：磁芯饱和、电路翻转点；
阶段③
饱和现象：磁芯饱和时，N2绕组内的电流不再增大，di/dt接近为0。
感应电动势消失：N2绕组的自感电压消失，感应电动势迅速跌落至零。
正反馈中断：N1的感应电动势也消失，1脚电位迅速回落。基极失去外部抬升电压，仅靠R1维持。
连锁反应：基极电流IB无法维持Q1饱和所需的大电流，导致IC开始下降，di/dt由正转负。
t3：关断过程结束；
阶段④：
触发条件：di/dt<0，N2电流开始减小。
电磁感应：为阻碍电流减小，N2感应电动势反转极性极性：3脚为（+），4脚为（-）。
发射极电位变化：4脚接Q1发射极（E），感应出负电压，E点电位急剧下降（↓）。
N1感应电动势：2脚（+），1脚（-）。
因N1的2脚接+4V（交流地），为使2脚变正，N1的1脚必须跳变为强负压（-）。
结果是VB↓>VE↓，Q1的BE结电压VBE=VB-VE净增长为正（↓）。VBE极性负（强）
基极响应：N1的1脚强负电压经R1强行拉低Q3基极电位，使VBE远小于0.6V，甚至为负。
结果：Q3迅速进入截止状态（IC≈0）。
t4：磁能释放完毕，进入死区。
阶段⑤：
状态：Q1完全截止，主回路电流切断。
能量转移：磁芯中储存的全部磁能通过N3（高压侧绕组）释放。
负载供电：该高压脉冲供给后级倍压整流电路，为负载提供能量。
去磁完成：随着磁能逐渐释放完毕，N3绕组电流降至零，各绕组感应电压恢复至零。
此时VBE为零（或负压维持），
t5:同t0
阶段⑥
Q1保持截止，磁芯完全退磁。
电源再次通过R1缓慢向Q1基极供电，基极电位逐步回升。
当Q1的VB升至约0.6V~0.7V时，再次出现微弱导通电流，回到阶段①。
（3）T1的外部参数
实测数据：        (制作要求：)
N1:1.1Ω        (φ0.2mm 22匝)
N2:0.3Ω        (φ0.2mm 8匝)
M3:230Ω        (φ0.08mm 1400匝)
绕制时注意同名端，否则不起振。
（4）工作过程列表如下

（5）Q1的B极和E极工作波形仿真如下



2、共发射极自激振荡
（1）电路如下

（2）工作过程
1.启动导通及正反馈饱和
闭合 K1，电源通过R3给Q1基极提供初始偏置电流，
此瞬间：Q1的Vb=0.7V；Vc=电源电压。
Q1 开始导通，集电极电流从电源经N1流入Q1集电极。
N1自感电动势极性：4正3负。
由于N1和N2绕在同一磁芯上，N2感应出电动势。
N2极性：2正，1负。
N2感应的电压会使Q1基极电位进一步升高，基极电流增大，集电极电流也增大，形成正反馈，
此时：Vb保持0.7V，Vc=0.3V，Q1迅速进入饱和状态。
2.饱和储能
Q1 饱和后，集电极电流近似线性上升，变压器磁芯中的磁场能量逐渐增加。
3.翻转截止
当磁芯接近磁饱和时，集电极电流变化率减小，
N1自感电动势反转，变为3正4负，N2 感应电压极性也反转为1下2负，使 Q1 基极电压下降，基极电流减小，Q1 迅速退出饱和并截止。
Vbe为负，Vc的电位会是电源电压叠加N1自感电动势。
4.释放磁能
Q1 截止瞬间，N1 中的电流突变，产生很强的反向感应电动势。
由于 N3 绕组匝数远多于 N1、N2，因此 N3 两端会感应出较高的脉冲电压，实现升压输出。
5.重复振荡
当T1的磁能释放完毕后，电路又回到初始状态，N1与N2没有电动势。
Q1 的截止，电源又通过 R3 给基极提供偏置，Q1 再次导通，进入下一周期。如此反复，形成高频振荡。
（3）仿真波形

单管变压器正反馈自激振荡，依靠同名端精准的相位反馈实现自激，无需外部驱动。
（二）小功率Royer振荡电路

双管自激推挽逆变（罗耶 Royer 振荡电路），属于磁饱和自激振荡，
依靠变压器T1多个绕组实现起振、正反馈、功率输出，把直流 VCC 变换成交流方波，
绕组Ns是输出绕组；Np1/Np2为主功率原边；Ns1/Ns2为反馈绕组；R1C1 是启动网络，Q1、Q2是两只NPN 功率三极管。
交流等效图如下：

工作过程:
1、上电启动阶段
上电后，电源VCC通过R1、C1及变压器给Q1、Q2的基极供电。
因为Q1、Q2参数不可能完全一致，两个三极管不会同时导通。
假设上电瞬间，Q1先导通一点点：
Q1集电极电流流过绕组Np1（5－6），5正6负；变压器铁芯磁通开始增加。
变压器所有绕组感应出电压，根据同名端，
反馈绕组Ns1(1－2)产生感应电压，1正2负，进一步使Q1的Vbe增大，加速Q1导通；
同时，Ns1(2－3)产生感应电压，2正1负，使Q2进入截止。
这就是正反馈雪崩过程：
Q1导通→感应电压→Q1进一步导通，Q2被强制截止。
R1是提供微弱基极偏置，C1起到加速作用，提供交流通路。
2、Q1导通，Q2截止阶段
Q1饱和导通：
电流路径：VCC→T1的5脚→绕组Np1→引脚6→Q1集电极→发射极→GND。
此时变压器磁芯磁通线性上升。
反馈绕组Ns1输出正向电压维持Q1饱和；
Ns2输出反向电压，Q2基极是负压，Q2牢牢截止。
输出绕组Ns7-8上感应出交流电压，对外输出。
关键点：Royer电路依靠磁芯饱和翻转状态，
磁芯磁通到达饱和点之后，磁芯不能继续增加磁通，绕组感应电动势瞬间归零。
3、状态翻转（磁饱和反转）
磁芯饱和后磁通不再变化，绕组感应电压消失。
正反馈条件消失，Q1的基极驱动电压消失，Q1开始退出饱和。
Q1集电极电流开始下降。
电流减小，磁通开始减小，
所有绕组感应电压极性全部反转（同名端决定极性翻转）。
反馈绕组Ns2现在输出正向电压加到Q2基极，Ns1变成负压加到Q1基极。
又一次雪崩正反馈：
Q1迅速截止，Q2迅速饱和导通。
4、Q2导通，Q1截止阶段
Q2饱和导通：
电流路径：VCC→T1引脚5→绕组Np2→引脚4→Q2集电极→发射极→GND。
磁芯磁通向反方向线性增大。
反馈绕组Ns2维持Q2饱和导通，Ns1给Q1施加负压，Q1截止。
副边绕组7－8感应反向电压，输出反向半周波形。
等到磁芯反向饱和，磁通不再变化，再次触发翻转，回到Q1导通状态。
5、循环振荡
Q1导通→磁芯正向饱和→翻转→Q2导通→磁芯反向饱和→翻转，周而复始。
动图如下：


另外一种电路如下：


这种电路的减少了T1的绕组抽头，利用了两个电阻R1和R2为两个三极管提供启动偏置，
工作过和与上面分析相似，动图如下

仿真波形如下：



二、小电流倍压电路
（一）信克尔倍压
信克尔(Scheakel)倍压整流结构是目前常用的倍压电路采用的结构之一，四倍压输出电路如下：

D1~D4为高压整流硅堆，C1~C4为大容量蓄电荷滤波电容。
(为了便于说明，设输入峰值电压为Um，忽略所有二极管的导通压降，
故滤波电容两端的电压即为峰值电压Um，)。
(1)当输入端为上正下负时，由于D1的导通，C1此时处于充电状态，当输入达到峰值后C1两端电压达到Um。
(2)当输入端为上负下正时，D2处于导通状态，输入端与C1端直接形成串联关系，此时C2处于充电状态，当输入再次达到峰值，C2两端的电压为2Um。
(3)输入端再次变为上正下负时，一路如(1)给C1充电；另一路则由C2，D3，C4构成串联回路，C3处于充电状态。当输入再次达到峰值电压时，C3两端的电压为3Um。
(4)输入端再次变为下负上正时，一路如(2)给C2充电；另一路则由C3，D4构成闭合回路，C4处于充电状态，当输入再次达到峰值电压时，C4两端的电压为4Um。对负载供电输出。
工作动图如下：

相对于各电容的负极为参考，(输入峰值电压为10V)波形如下：

由以上过程分析可知：
由信克尔四倍压输出电压Vo = 4Um可知：总的输出电压受限制于单个电容器最大耐压值，对于高达几十KV的输出，无法选取耐压值合适的电容器。
（二）科克罗夫特-沃尔顿倍压
倍压整流电路另外一种常见类型—科克罗夫特-沃尔顿（Cockcroft-Walton multiplier）倍压整流电路，
其基本的三倍压整流电路结构如下图：

C1~C3为整流滤波电容，D1~D3为高压整流硅堆。其工作原理做如下(同样假设整流管的导通压降为0，输入峰值电压为Um)。
(1)当输入上正下负时，D1整流管导通，C1、D1形成回路，C1处于充电状态，充电达到峰值电压Um。
(2)当输入上负下正时，与C2、D2、C1构成闭合回路，C2处于充电状态，充电峰值电压达到2Um。
(3)当输入再次变为上正下负时，一路由C1、D1构成回路，C1充电；另外一路与C1、C3、D3、C2构成回路，此时C3达到峰值2Um。
工作动图如下：

相对于各电容的负极为参考，(输入峰值电压为10V)波形如下：

蓝色为输入Vin，电路稳定后，C1为一倍压，C2和C3都是二倍压。
如果向后多加入电容和高压整流硅堆，就得到如下电路：

可见，科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路中单个电容能承受最大耐压值为输入峰值的两倍，
这一点使得在电路优化和元器件的选型上科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路(相对于信克尔电路)占据了巨大的优势。
科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路在小型直流高压应用中使用的很多，也有很多的变化，
如：正负双向科克罗夫特-沃尔顿倍压整流

可以等效成如下图：

类似于半波正负整流，一看动图就明白，不多讲。

（三）其他常见倍压电路
1、三倍压电路

正半周时，C1和C2充电（一倍），
负半周时，输入与C1共同给C3充电（两倍），
输出为C2和C3串联输出（三倍）。
动图如下

各电容（以负极参考）波形为

2、三倍压电路二

正半周时，输入与C1共同给C2充电（两倍）；
负半周时，C1充电，同时输入与C2共同给C3充电（三倍）。
C3输出三倍直流电压。
动图如下

各电容（以负极参考）波形如下

3、三倍压电路三

正半周时，C1充电（一倍）；同时输入与C2共同给C2充电（三倍）；
负半周时，输入与C1共同给C2充电（两倍）。
C3输出三倍直流电压。
动图如下：

4、四倍压电路

正半周时，C2通过D3充电（一倍）；同时，输入与C1共同通过D1给C3充电（二倍）。
负半周时，C1通过D2充电（一倍）；同时，输入与C2、C3通过D4给C4充电（四倍）。
C4输出直流四倍电压。
动图如下

各电容（以负极参考）波形如下


三、实物拆解
（一）使用多年的电蚊拍
这个电蚊拍用了十六七年了，原来是铅酸电池，威力很大，按开关键时间长一点会自己“啪啪”放电，
后来换了三节镍氢电池，打蚊子依然是能炸碎。
关键电路如下：

阻容充电电路和高压逆变电路分两块板。
电压电路的主要元件如下：

高压电路板全貌：

背面：

电路如下：

高压是通过Q1及T1的产生的自激振荡，
由T1进行电压变换，输出高频高压，
再通过四倍压整流，最后输出直流高压到三层电网上。
（二）使用两节5号电池的电蚊拍
这个蚊拍也用了将近十年了，由于可以更换电池，所以一直是不好用了就修修。
参数：

拆开：

主要元件：

电路板正面：

电路板反面：

电路如下：

共集电极变压器自激振荡电路+三倍压电路
（三）铅酸电池改为锂电池的
这是一个铅酸电池的蚊拍，后来更换成了锂电池，并加了锂电充是模块。


高压电路的主要元件

主板上已经拆除了阻容充电部分

主板背面

高压部分电路如下

振荡部分是共集电极变压器反馈自激振荡，
后级电三倍压电路。
Q1的基极和发射极的波形如下

Q1的be结波形如下

（四）可更铅酸电池的
1、拆一个蚊拍
也是一个铅酸电池的蚊拍，

电池仓有盖

拆开

高压部分元件

主板正面

主板背面

电路如下

2、振荡电路

这是个采用共发射极变压器反馈自激振荡电路，
后级是三倍压电路。
C5并联在变压器原边3脚与地之间，是保障电路稳定、保护功率器件的元件，
有三个作用：
一是吸收高压尖峰，保护功率三极管：
Q1快速截止瞬间，变压器漏感会产生极高的反向感应尖峰电压，极易击穿D882三极管集电极。
C5与变压器漏感构成RC缓冲吸收回路，快速泄放尖峰电压，钳位集电极最高电位，规避功率管击穿损坏。
二是稳定振荡频率，抑制频率漂移：
C5与变压器原边电感组成简易LC谐振回路，固定电路振荡频率，
将工作频率稳定在一定范围内，避免电压、负载波动导致的频率偏移，提升振荡稳定性。
三是滤除高频毛刺，降低电磁干扰：
吸收电路工作过程中的高频谐波与杂波毛刺，优化电路波形质量，减少对外电磁辐射，降低EMI干扰。
3、相关波形
Q1的B极和C极的波形：

去掉电容C5的波形：

使用稍大容量的C5仿真时，波形如下

（五）灯下科技的两用灭蚊灯
1、拆解
这是一个室内外两用灭蚊灯，灯下科技出品的，广告图如下：

同事说摔了一下，没有“啪啪”声了，怀疑有接触不好
拆开查检接线

线路没有问题，充电也正常，紫外灯也能点亮
应该是高压不足，拆下高压发生单元

这么个东西还要灌胶，同事说不要了。
手上没有测量高压的设备，暴力拆


试图用高温软化胶，未果，只能用最苯的办法


主要元件
低压区

高压区

测量两个高压电容分别是
8.9nF和18.5nF
应该是有一个高压电容容量不足导致的
电路如下：

2、振荡原理
振荡部分电路如下：

交流等效电路如下：

可见这是谐振型 Royer（电流馈电），变压器磁芯不允许饱和，三极管也工作在非饱和谐振开关状态，
振荡由并联RL 谐振储能+变压器绕组N1/N2正反馈共同维持。
恒流源：
理论等效模型；实物是输入串联一个大电感，提供近似电流源馈入并联谐振腔；
并联谐振在谐振频率下，并联 LC 阻抗最大（并联谐振阻抗趋近无穷大），
电流源给并联谐振腔注入电流，产生谐振高压电压波形。
谐振腔：L0（变压器励磁电感）、R0（等效谐振损耗）、C1（754 谐振电容）构成并联RLC谐振网络；
N1、N2是变压器两个初级绕组，既参与谐振腔，又提供正反馈感应电压，通过N3驱动两只三极管的基极。
振荡过程
1.上电起振（扰动 + 正反馈）
上电瞬间（恒流源输入），Q1、Q2 两只三极管的基极通过R1、R2获得微弱初始偏置。
两个三极管参数不可能完全一致，会出现微小电流差异：
假设Q1基极电流稍微大一点→Q1的集电极电流大→流过绕组N1电流大→磁芯出现微弱磁通变化，感应出4正5负的电动势；
变压器绕组的互感，会在N1、N2上感应出互感电压(1正2负)，感应电压进一步抬高Q1基极电位，同时压低Q2基极电位。
2.正反馈雪崩放大
Q1集电极电流↑→N1感应电压↑→N2感应电压↑→Q1 进一步导通，Q2基极电流↓，趋向截止；
很短时间内进入Q1饱和导通、Q2截止的暂态。
这一步只需要电路噪声、器件不一致的微小扰动，满足环路增益>1，就完成起振，
把能量注入L0、C 谐振腔，LC开始交换电场磁场能量，产生谐振振荡波形。
3.谐振半周期（Q1导通，Q 截止，LC能量往复交换）
恒流源持续向并联RLC谐振网络输入电流。
Q1饱和导通，把N1绕组下端钳位到接近地电位；N2绕组下端此时是悬浮谐振电压。
并联谐振腔L0与C1之间发生能量来回交换：
电容C1电场能←→电感L0磁场能，谐振腔两端产生近似正弦的交流电压，加在 N1、N2 绕组两端。
反馈绕组感应电压持续给三极管基极提供驱动，维持Q1导通、Q2截止。
这里的关键是：磁芯不走到饱和点；
不是磁饱和把管子关掉，而是谐振电压相位过零翻转，来完成三极管的状态切换。
4.相位过零，状态翻转（关键是谐振带来换向，不靠磁饱和）
并联RLC谐振电压经过半个谐振周期，电压相位穿过零点、极性反转：
谐振腔两端电压极性颠倒，绕组N1、N2感应电压同步反转（5正4负）。
反馈绕组感应电压反转（2正1负）：原来导通的Q1的基极驱动电压变为反向，Q1趋向关断；
同时给Q2基极提供正向驱动电压，Q2 开始导通。
5.再次发生雪崩式正反馈：Q1基极电流↓，Q2基极电流↑；
瞬间切换状态：Q2饱和导通，Q1彻底截止。
6.第二个半周期（Q2 导通，Q1 截止）
过程与上面半周期对称：
Q2导通，N2绕组下端被钳位到地；N1下端悬浮。
L0、C1继续谐振，能量再次互相交换，谐振腔电压走完另外半个正弦波形。
再经过半个谐振周期，电压再次过零反转，又把 Q1打开、Q2关断。
工作动图如下：


相关的仿真波形如下：

循环维持振荡就是“半周Q1通，半周Q2通”不断循环。
恒流源（实物大电感）的作用：
并联谐振时并联 RLC 谐振腔谐振阻抗很高，如果直接接电压源，会发生过流；
电流馈入，只需要补充R0消耗掉的谐振损耗能量，就可以持续维持振荡。
Q值越高（R0越小），LC 储能相对于损耗越大，谐振腔电压波形越接近纯正弦波。
振荡频率≈并联谐振频率：，由励磁电感L0与谐振电容C1决定，不受电源电压影响。
3、实测波形
Royer振荡电路通过变压器升压，二倍压整流输出。
测量波形如下：
Q1的B极和Q2的B极波形

Q1的B极和Q1的C极波形

Q1的B极和L1两端电压波形

高压输出通过一个高压二极管半波整流后的波形


请小心避坑：相关电路图PDF

谢谢观赏！
祝各位坛友天天开心！

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