Page 1 : 簡易電路 Simple Circuits

[Previous] [Next]

原文: http://www.totallyamped.net/adams/page1.html

在此所提的一些簡化的電路，是要用來說明關於 Hall IC、電晶體、以及脈波馬達系統 (pulsed motor system) 中的感應線圈的反應特性的基本知識。特別是，設計這些電路是要用來說明可以採取的兩個簡單的步驟，藉以避免由於電流太大(current surges)或電壓太高(over voltage)的問題使得電路元件被燒掉 ("blowing" )。 此網站一開始就要幫助那些勇於實驗的人可以將他們零件經費保持在可忍受的限度內。

此網站是為電子學的初學者而設的，所以會儘可能的讓所有的說明都淺顯易懂。假如你已經具有中等以上的電子學知識，那此處介紹的電路原理和說明對你來說將是很熟悉的。

Fig 1- 第一個電路是 "Tropes" 貼在 Overunity.com 的討論區上的。此電路非常簡單，也可以運作的，但不穩定而且元件容易損壞。 請看 Fig 2，也是類似的簡單電路，便於用來說明，但有一些改變，其性能與穩定性得以稍微的改善。

Fig2- 下面的電路是根據前面的Tropes 的電路而來的， Circuit A 代表Tropes 的電路的 NPN 版本，Circuit B 是同樣的簡潔，但是在 Hall IC 的 Source 接腳串聯一個電阻 R1，而且線圈 L1 由電晶體 Q1 的射極與地之間移到電源的正極 +ve 與電晶體 Q1 的集極之間的位置。 下面將參照 Fig 2 來說明這些電路，還有說明我為何要在 Circuit B 做這些局部的改變。

針對上面的 Fig 2，首先來看 Hall IC 的特性。它看起來和電晶體很像，但是其運作的方式可是差很多的。 Like transistors though, they come with varying degrees of recommended maximum voltage and current ratings. Most Hall IC's are designed to operate on voltages between 5 + 10 Volts. And most have Source to Emitter junctions that only allow up to 100MA current flow before they are strained beyond their operating parameters. 在此階段，我們先忽略 Hall IC 的內阻和電晶體 Q1 的基極與射極接面的壓降，只專注於 Hall 和馬達的感應線圈。

在 Circuit A，當馬達剛接上電源，而且磁鐵第一次經過 Hall IC，使 Hall IC 變為 "on" 的狀態，對於流經 Hall IC 的 Source 到 Emitter 接面的電流，要考慮的限制因素只有馬達線圈 L1 的實際直流電阻。

假設供應電壓只有 1.5 V，馬達線圈的直流電阻為 10 Ω。也就是 1.5V 除以 10 Ω的電阻得到初始的最大電流為 150 mA。此時電路可能已經有潛在的危險了，因為 50 mA 已經超過 Hall IC 的額定電流了。現在，就算扣掉電晶體Q1 基極與射極接面的壓降 0.6V (針對矽晶片)，剩下的 0.9V 除以 10 Ω，得到 90 mA 的電流。對於額定電流通常在30至50 mA之間的一般的 Hall IC 來說，電流還是太大了。還好，就算 Hall IC 是在導通 ("on") 的狀態，還是有內阻的，而且整個電路的壓降的一部份實際上也落在馬達線圈兩端。

供應電壓只有 1.5 V 時，在初始導通的湧浪電流中，Hall IC 是有可能撐過來的。在馬達開始轉動後，且速度穩定後，Hall IC 損壞的可能性就會減少了。為啥? 好，現在必需來看看馬達線圈的特性, 它不只是具有由電線長度所造成的直流電阻，還會有稱為感抗 (Inductive Reactance) 的特性。當線圈只是單純的接上直流電，它只有直流電阻。但是當線圈接上脈波直流或交流電，它會表現感抗的性質，(也稱為阻抗 (impedance))，並且其量測單位也是 Ohm。隨著馬達越轉越快，脈波的頻也跟著增加，線圈的直流電阻不會改變，但是阻抗會隨著頻率增加。所以線圈的總 Ohm 數是增加的，使得流過線圈和與其串接的元件的電流減少。因為此線圈與電晶體的基極與射極接面及電晶體的集極與射極接面串聯，所以流經電晶體 Q1 的這兩個 path 的電流會減少。

除此之外，通常，快速旋轉的磁鐵掃過線圈，也會感應電動勢 ( ElectroMotive Force) 回到線圈，其方向與輸入的供應電流是相反的。此相反方向的 EMF 即所謂的 Back EMF，會發生在所有的傳統馬達，不管是那一類型的馬達。然而，在上面的電路中，此 BEMF 是無法再降低輸入電流的，我會在 Page 2 說明為何會如此。 It is suffice to say the increasing impedance of the coil due to the increasing pulse frequency will be enough to lower the running current to acceptable component limits.

現在，假如供應電壓為 3 V 或 4.5 V 或 6V 或 12 V，想像一下在Hall Ic 的源極 (Source) 與射極 (Emitter) 接面的初始啟動電流。記住電流為電壓除以電阻，很容易就可以看出 Hall IC 的電流超出建議的最大範圍，Hall IC 很快就會被燒掉，而轉子根本沒有機會達到足夠的速度，提供夠大的感抗(Inductive Reactance)，將運轉電流降低至可接受的程度。

在電路A，當馬達剛接上電源，而且磁鐵頭一次經過 Hall IC，使 Hall IC 變為 "on" 的狀態，對於流經 Hall IC 的 Source 到 Emitter 接面的電流，要考慮的限制因素只有馬達線圈的實際直流電阻。

在 Circuit B，當馬達剛接上電源，而且磁鐵第一次經過 Hall IC，使 Hall IC 變為 "on" 的狀態，對於流經 Hall IC 的 Source 到 Emitter 接面的電流，要考慮的限制因素只有電阻 R1，因為馬達線圈 L1 現在實際上已被電晶體 Q1 的集極與射極接面所形成的電流途徑所隔離。Again we will initially neglect the internal resistance of the Hall IC in the "on" state and the voltage drop across the Transistor Q1 Base to Emitter junction and concentrate on the Hall and the Resistor R1.

讓我們再假設供應電壓只有 1.5 V 以及電阻值為 100 Ω。記住電流為電壓除以電阻，意思就是 1.5V 除以 100 Ω 的電阻，得到初始的最大電流為 15 mA。 這樣流過 Hall IC 和電晶體Q1 基極與射極接面的電流就比較可以接受了。 Now the transistor base current allows a much higher current to flow through the Collector to Emitter junction of Transistor Q1, due to the current amplification characteristics of all transistors. But the initial current through the motor coil at startup will once again be limited by the the DC resistance of the coil itself which is 10 ohms. So the startup current through the Motor coil and the Collector to Emitter junction of Q1 will be 1.5 V divided by 10 ohms which is 150MA. This is perfectly acceptable to the transistor because the Collector to Emitter junction of Q1 is designed by its very nature to handle higher currents. That is exactly why transistors are used to amplify and what they were designed to do; use a small current in one junction to control a larger current in the other junction.

再一次的，當馬達轉得越來越快，脈波的頻率也跟著增加，而線圈的直流電阻保持固定不變，阻抗則隨著頻率增加。再次的，線圈表現出來的整體電阻抗是增加的，流過線圈和電晶體Q1 集極至射極接面的電流會減小。但是現在電晶體Q1 基極與射極接面沒有感抗元件，只有電阻 R1，所以在運轉期間流過它的電流絕對不會超過15 mA，也不會隨著線圈的阻抗上昇而持續地降低。 The advantage of this is that a cleaner, squarer, more consistent controlling pulse will be delivered to the Transistor Base to Emitter Junction, regardless of the increasing impedance of the coil at rising frequencies.

現在，假如供應電壓為 3 V 或 4.5 V 或 6V 或 12 V，想像一下在Hall Ic 的源極 (Source) 與射極 (Emitter) 接面的初始啟動電流。記住電流為電壓除以電阻，很容易就可以看出 Hall IC 的電流仍然在建議的最大範圍之內，3 V 時 Halls 的電流為 30 mA，5 V 時 Halls 的電流為 50mA ，以及 10 V時 Halls 的電流為 100mA，類似如此。將 R1 的數值改為 200 Ω，大部分的 Halls 都會在額定常規電流的範圍之內。

在我的電路中，供應電壓為12 V時，針對 Hall IC，我通常會使用1000 Ω 的電阻，and use what is known as diode clipping in conjuction with "bias" resistors to ensure that the base to emitter voltage and current is maintained at the right levels of the Transistor Q1 for proper operation. 在後面的說明中介紹稍微成熟一點的電路時，我會做更進一步的解釋。

I hope this information is understandable to you "the reader", as there is a balancing act between brevity and simplicity of explanation and the need for enough information for you to envision what I am trying to impart to you.