9V naar 100V booster via een Armstrong-oscillator

Dag iedereen,

Voor een deel opdracht van mijn thesis ben ik reverse engineering aan het toepassen op een product. Onderstaande schakeling is een stuk hiervan.

Deze schakeling laat toe om van een 9V batterij een hoogspanning van 10V of 100V te maken afhankelijk of er +9V of 0V op de 'DISABLE_100V' lijn komt.
Om deze spanning te halen wordt er volgens mij gebruikgemaakt van een variant van de Armstrong-oscillator (ook wel de Meissner-oscillator genoemd) die dan via de diodes in serie naar een DC spanning omgezet wordt. De belasting achter deze schakeling is zeer laag (ongeveer < 300µA).
De oscillatie frequentie is 132kHz in de punten A, B, C en D. De diodes hebben een spanningsval van 0.7V elke en de verstelbare inductorspoel TF1 is vermoedelijk één van TOKO (met nummer 98179 IA350) maar daar is jammer genoeg geen extra info over te vinden naast de info op het schema.

Nu is mijn vraag of iemand weet hoe deze schakeling ongeveer werkt? Want na enige tijd zoeken heb ik niet een gelijkaardige schakeling gevonden.

[Bericht gewijzigd door Simon_S op 20 november 2020 15:13:54 (13%)]

Hier kun je meer lezen over die oscillators
https://verstraten-elektronica.blogspot.com/p/oscillatoren.html

Je kunt uw schema een beetje vergelijken met het rechte schema onder het hoofdstuk Meissner oscillator

Q8 staat omgepoold en is waarschijnlijk een tekenfoutje.

Met de uitleg in de link moet je heel wat verder komen.
Teken uw oscillator iets overzichtelijker met de spoel in de collector dan zul je het beter begrijpen.

Q3 en TF1 en C4 vormen de oscillator, waarbij TF1 en C4 de afgestemde kring vormen.

ZD2, 3, 4 begrenzen de opgewekte hoogspanning want als de spanning >99V loopt er stroom terug door R43 zodat de basis minder negatief wordt tov de emitter en Q4 minder zal geleiden.

LDmicro user.

Bedankt voor u antwoord!
Q8 is inderdaad een tekenfout en moet omgedraaid zijn.
Ik heb de oscillator hertekent maar ben nog altijd een beetje verward. Vooral in de berekening van die oscillator frequentie in vergelijking met de gemeten waarde. Met de standard formule bekom ik f=1/(2pi*sqrt(LC)) = 26,5kHz voor de waarden die te vinden zijn vs de 131kHz die gemeten wordt. Dus ik begrijp niet volledig waar de factor zit die dit verschil geeft. De zelfinductie van de teruggekoppelde spoel (pin 1-5) is natuurlijk niet gekend en kan hier mogelijks voor verantwoordelijk zijn.

Dat is een blokkeeroscillator en dat kun je niet zomaar uitrekenen met f=1/(2pi*sqrt(LC)), het is veel ingewikkelder dan dat en ik zou ook niet weten hoe je dat moet doen.

[Bericht gewijzigd door MGP op 22 november 2020 15:22:58 (24%)]

LDmicro user.

Ik had zo al een vermoeden dat het niet eenvoudig te bepalen was. Toch alvast bedankt!

Ik heb sterke twijfels of uw schema wel klopt, vooral de lijn waar de emitter van Q7 aanligt.
C2 staat daar ook raar geplaatst.

LDmicro user.

Het schema zoals daar getekend is normaal correct op Q8 na. Ik heb net nog eens gekeken naar het stuk dat u aanhaalt en dit is correct getekend zoals het geproduceerd is.

De reden dat C2 zo geplaatst is, is volgens mij doordat er op die manier maar een spanning van ongeveer 90V over zal staan (C2 is maar een cap die tot een spanning van 100V bestendig is).

De emittor lijn van Q7 bevindt zich op een spanning van ongeveer 4,4V (de uitgangspanning is namelijk ook 103V i.p.v. 100V). Op die manier staat er ook net iets meer dan 10V op de uitgang als Q7 in geleiding gaat (wordt via een logisch signaal gestuurd) door de zener Z1 die 6,2V heeft (5,9V echter gemeten maar vermoed dat er gebruik is gemaakt van meer ‘standard’ zeners waarvan 6,2V de dichtste waarde is).

Ik heb uw schema wat hertekend uit interesse en ik moet toegeven dat ik het niet volledig snap.
De ledschakeling heb ik weggelaten omdat die voor de werking niet van belang is.

LDmicro user.

Ik had de led schakeling er opgezet omdat ik niet zeker was of deze op basis van de zener niet een invloed had op de spanning tussen R44 en de emittor van Q4.
Eveneens ben ik niet zeker wat de functie is van de bron aan de uitgang. Zou deze een invloed kunnen hebben op het starten van de oscillator? Aangezien de spanning op de uitgang nooit onder deze 9V gaat en de diodes Q1 en Q2 deze tegenhouden.

Ik vindt dit maar een complexe manier om die 100 Volt op te wekken op de uitgang.
De opgewekte spanning wordt hier uit de resonantie kring gehaald, betekend dat die kring belast wordt en dat is niet zo goed.
Makkelijker is het, of in ieder geval zou ik het met een boost converter proberen.

De spoel in die converter is wel 1,47mH, mogelijk dat een fabriekspoeltje hier kan voldoen van 2,2mH.
De duty-cycle is 9%.

"tijd is relatief"

Het is idd de oscillatie belast wordt. Maar doordat er bijna geen stroom getrokken wordt door de belasting (max 300µA) is dit waarschijnlijk een goedkoper design dan de traditionele boost-converter aangezien de veel gebruikte schakel IC’s niet tot 100V gaan.
Het ontwerp is ook batterij gevoed en via de oscillatie is het statische verbruik lager dan via een boost-converter met ic die waarschijnlijk ook een veel hogere stroom kan leveren volgens mij. Het ontwerp is ook al relatief oud volgens mij aangezien er met een hf verstelbare spoel/transfo gewerkt wordt die de dag van vandaag minder courant te vinden zijn.

Ik zal ondertussen een aantal scoopbeelden verzamelen van een aantal punten op de oscillator. Dit kan misschien een beter beeld geven van de werking.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Makkelijker is het, [schema]

Dat is toch qua werking exact hetzelfde!
Ook hier, net als bij @TS, 1) een spoel van voeding naar transistor, 2) de transistor schakelt naar massa, 3) de piekspanning wordt gelijkgericht.

Er zijn maar minieme verschillen. De afvlakcondensator aan de uitgang staat op de voeding, in plaats van op de massa. Dat is slim, want dat scheelt alweer een paar volt.
En de transistor is 'self excited', hij stuurt zichzelf aan. In dit geval via de emitter, maar dat maakt voor de transistor niet uit: wat voor hem telt is Ube.

Ook bij @TS is er geen afgestemde kring. Het is gewoon een blokkeeroscillator.

waarbij TF1 en C4 de afgestemde kring vormen.

Nee. C4 staat trouwens niet eens over de spoel. C4 legt de basis voor HF aan massa. De sturing is op de emitter.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Ook bij @TS is er geen afgestemde kring. Het is gewoon een blokkeeroscillator.
[...]Nee. C4 staat trouwens niet eens over de spoel. C4 legt de basis voor HF aan massa. De sturing is op de emitter.[/quote]

Hoe wordt de oscillatie dan opgewekt volgens u?

Hierbij nog een aantal scoopbeelden van de punten A, B, C en D. Merk echter wel op dat voor beeld D ik nog een extra 1:10 spanningsdeler achter mijn probe heb moeten zetten aangezien ik niet over een x100 probe beschik en mijn eenvoudige USB scoop maar een bereik heeft van +-5V. De gemeten waren zijn bij dit beeld dus niet volledig exact maar de curve geeft een goede indicatie.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Hoe wordt de oscillatie dan opgewekt volgens u?

Wel, eigenlijk kun je dat gewoon opzoeken. Het is, met een ouderwetse naam, een 'blokkeeroscillator'.
Met 'blokkeren' werd bedoeld dat de collectorstroom (of anodestroom) tot uiterste waarden gaat, dus nul en maximum, en daar dan een tijdje 'vast' blijft staan.
De Engelstaligen keken juist naar het einde van die periode van 'vastzitten', als de stroom weer gaat bewegen, en bedachten daarom juist het woord 'relaxation oscillator'.

Hier is het schema van je oscillator. De spoelverhouding is ca. 1:10, gezien de weerstandsverhouding; de inductieverhouding is dus 1:100, vandaar dat ik de koppelwikkeling op 1/100 van de collectorzelfinductie stel.
De 100 ohm vertegenwoordigt de weerstand in batterij, smoorspoel, spoel etc.
De 1,2V voor de basisvoeding heb ik hier 'handmatig' gekozen om 100 V aan de uitgang te krijgen. Normaal wordt dat geregeld door de terugkoppeling: als in jouw schema de uitgangsspanning stijgt, krijgt Q3 minder basisvoeding.

Zie ook de grafieken hieronder. Klik= groter; eventueel nog een keer klikken (afhankelijk van browser).

Na het inschakelen krijgt Q3 basissturing. De collectorstroom gaat dus stijgen. Er wordt in L2 een spanning geïnduceerd die de emitter negatief maakt (ga zelf na met de Wet van Lenz en de wikkelpolariteit).
De transistor wordt dus méér aangestuurd: Ube wil immers groter worden.
De basisspanning probeert de gemiddelde emitterspanning te volgen (op 0,6 V afstand) en zakt dus ook.

Uiteindelijk zal de collectorstroom niet verder kunnen stijgen. De inductie op L2 valt dus weg, en de emitterspanning stijgt terug naar nul. De basis is echter laag (minder dan 0,6 V), en de transistor gaat dus dicht. De collectorstroom wordt nu snel nul. Daardoor komt over L1 een grote inductiespanning te staan, in ons geval zo'n 100 V.
Op de emitter komt hiervan 1/10 te staan (wikkelverhouding), dus ca. 10 V. De basisspanning is veel minder, zodat de transistor hartstikke dicht blijft.

Als de inductiepiek is afgelopen, zakt de collectorspanning weer naar de voedingsspanning, en de emitterspanning zakt weer richting nul. Nu zijn we weer in de beginsituatie, de emitterspanning zakt meteen dóór, et cetera.

Golfvormen van emitterstroom (blauw) en emitter- en basisspanning.
De tweede, kortere piek in de emitterstroom komt van de basisstroom: het is het moment dat C4 zich kan ontladen over de be-overgang als de transistor weer gaat geleiden. Deze piek is niet altijd goed te zien, hij kan heel kort zijn.
Merk op hoe goed alles verder overeenkomt met jouw gemeten waarden, vooral de werkingsfrequentie bij 300 µA afgenomen stroom. Bij meer of minder afgenomen stroom verandert de frequentie vrij sterk.

Golfvormen van collectorspanning en uitgangsspanning.

Merk op hoe collector- en emitterspanning samen, en nagenoeg gelijk van grootte, onder de nul zakken tussen de hoge pulsen. De transistor is hier verzadigd; de basisspanning ligt boven zowel de emitter- áls de collectorspanning, zodat de collectorstroom tijdelijk 'negatief' kan zijn. De bc-overgang is dan in geleiding.

Goed, tot zover de CO-elektronicacursus.. :)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Dat het een blokkeeroscillator was had ik al in mijn 2de post vermeld maar de eerste post vergeten te doorstrepen.

Eerder de schakeling rond Q4, de zener terugkoppeling en Q7 is mij niet erg duidelijk, vandaar dat ik de schakeling wat hertekend heb.

LDmicro user.

In feite is bovenstaande schema het principe van de schakeling.
Q3 is de oscillatie transistor en Q4 geeft de basisspanning af voor Q3.
Q3 oscilleerd omdat de spanning tussen de collector en emitter 180° uit fase is.
Doordat de kring TF1 tegengesteld is gekoppeld wordt ook 180° fase verschil verkregen.
Het resultaat is een fase verschil van 360°, oftewel nul graden fase verschil, de transistor begint te genereren.
De spanning op de collector wordt gelijk gericht door de dioden D1,D2,D3 en de spanning wordt afgevlakt met elco C2.

"tijd is relatief"

Hartelijk bedankt! Ik denk dat ik hier onterend de oscillatie al een heel eind mee verder geraak!

De blokkeeroscillator was voor mij onbekend. De door u geschatte spoel waarden die na simulatie een nagenoeg zelfde resultaat geven als de gemeten waarden gaan mij hopelijk ook in staat stellen de spice simulatie werkende te krijgen. Deze gaf mij tot heden geen bruikbare resultaten door het ontbreken van cruciaal spoel info die ontbrak.

Op 23 november 2020 16:57:19 schreef MGP:
Eerder de schakeling rond Q4, de zener terugkoppeling en Q7 is mij niet erg duidelijk, vandaar dat ik de schakeling wat hertekend heb.

Als Q3 niet oscilleert geleidt Q4 volledig. Q4 wordt opengestuurd door de basisweerstand R43. De spanning op de emittor van Q4 is altijd 5,1V. Dat is vastgelegd door zenerdiode Z5. Als Q3 oscilleert, dan wordt er, in 100V-keuze, 100V spanning opgewekt en afgevlakt door C2. Deze spanning zorgt voor een stroom naar de basis van Q4. Er blijft minder basisstroom voor Q4 over en Q4 wordt dichtgestuurd. Q3 krijgt daardoor minder stroom en de oscillatorspanning neemt af. Met Q7 kan je de uitgangsspanning kiezen. Dat is 100V als Q7 dichtgestuurd wordt en 10V als Q7 opengstuurd wordt. Q7 wordt opengestuurd bij een spanning groter dan ca 6,5V

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 23 november 2020 17:03:41 schreef Martin V:
Q3 oscilleerd omdat de spanning tussen de collector en emitter 180° uit fase is.

Nee; bij een gemeenschappelijke-basis-schakeling zijn in- en uitgangsspanningen juist in fase. Dat is trouwens in mijn grafieken hierboven ook duidelijk te zien, en staat ook in het schema en in de uitleg: collector en emitter gaan tegelijk hoog (+100 V, resp. +10 V), en tegelijk laag (beide ca. −1 V).

Dat de polariteit van de wikkelingen tegengesteld moet zijn, volgt uit de Wet van Lenz: de geïnduceerde spanning 'wil' een stroom laten lopen die de oorzaak van zijn ontstaan, het toenemen van de collectorstroom, tegengaat. We willen echter op de emitter juist een meewerking; daarom moet de emitterwikkeling in de tegengestelde polariteit aangesloten worden.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 23 november 2020 20:24:11 schreef Frederick E. Terman:

Dat de polariteit van de wikkelingen tegengesteld moet zijn, volgt uit de Wet van Lenz: de geïnduceerde spanning 'wil' een stroom laten lopen die de oorzaak van zijn ontstaan, het toenemen van de collectorstroom, tegengaat. We willen echter op de emitter juist een meewerking; daarom moet de emitterwikkeling in de tegengestelde polariteit aangesloten worden.

mmm, fet, zie niet wat de wet van Lenz te maken heeft met de transformatorformule (die komt er gewoon niet in voor). Overigens, is de transfo voor de emitter helemaal niet in tegengestelde polariteit aangesloten tov de Collector. Als de collectorspanning daalt, daalt ook de emitter spanning om verder in geleiding te komen, juist.. In jouw schema lijken ze schijnbaar in tegenfaze aangesloten, omdat de bolletjes voor primair/secundair onderaan en bovenaan zitten. Dat komt enkel doordat de ene wikkeling naar de + gaat, en de andere naar de ground. bewijs: voor zuiver AC bestaat + en - niet, kun je de spoelen met de bolletjes aan elkaar knopen : In faze dus.

Nu ik toch in de "kritiek" mode ben nog even doordoen :-) jouw oscillogrammen duiden erop dat het geen zuivere blokkeeroscillator is. de emitterstroom begint daarvoor veel te vroeg en bouwt volgens zaagtand op. Bij een echte relaxatie of blokkeeroscillator is het actieve element voor het grootste deel uit geleiding. als de polarisatie eindelijk hersteld is van de vorige knock-out Puls gaat het heel snel naar saturatie en dan terug lange stilte.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Het woord 'tegengesteld' heb ik van @Martin V overgenomen en had ik misschien beter tussen aanhalingstekens kunnen zetten.
In elk geval staan de polariteitsbolletjes bij mij goed, en bij hem verkeerd.

Wat Lenz met de polariteit te maken heeft, staat achter de dubbele punt in die zin waarin hem noem. Hij bepaalt in welke richting de inductiespanning staat, en daarmee dus ook hoe om de wikkeling moet worden aangesloten.

De oscillator hier voldoet precies aan de omschrijving voor een relaxatieoscillator: het actieve element (hier de transistor) gaat abrupt over van wel naar niet geleiden. Dat de stroomopbouw hier langer duurt dan het sperren, in plaats van korter, maakt mij niet zoveel uit. Maar het is natuurlijk mogelijk dat ergens een definitie is waarin dat wel genoemd wordt. :)
Hoe dan ook, essentieel is dat de golfvorm niet geleidelijk is, en de frequentie niet door een LC-kring bepaald wordt.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

De bolletjes in je tekening staan juist, dat is ok. maar de polariteit van de spanning geïnduceerd door de trafo in de emitter is niet tegengesteld aan die in de collector en dat meen ik toch uit volgend tekst op te maken;

Op 23 november 2020 20:24:11 schreef Frederick E. Terman:
We willen echter op de emitter juist een meewerking; daarom moet de emitterwikkeling in de tegengestelde polariteit aangesloten worden.

Op 24 november 2020 00:16:08 schreef Frederick E. Terman:

De oscillator hier voldoet precies aan de omschrijving voor een relaxatieoscillator: het actieve element (hier de transistor) gaat abrupt over van wel naar niet geleiden. Dat de stroomopbouw hier langer duurt dan het sperren, in plaats van korter, maakt mij niet zoveel uit. Maar het is natuurlijk mogelijk dat ergens een definitie is waarin dat wel genoemd wordt. :)
Hoe dan ook, essentieel is dat de golfvorm niet geleidelijk is, en de frequentie niet door een LC-kring bepaald wordt.

ik schreef dan ook "geen zuivere". idd staat dat wel ergens beschreven. denk OS Puccle en nog vele andere, intussen oude boeken. het archetype van de relaxatie oscillator is het neonlampje met condensator erover en dan gevoed via serieweerstand. Het veel gebruikte mechanisch analogon is -dit is een leuke- een stuk bamboe (aan een kant dicht) dat niet symmetrisch op een scharnier zit en langzaam met water word gevuld. Bijna vol wordt het evenwicht verstoord, kantelt en ledigt de bamboebuis zich en keert dan terug naar rust om opnieuw langzaam gevuld te worden.

[Bericht gewijzigd door kris van damme op 24 november 2020 00:37:35 (55%)]

Frederick E. Terman

Honourable Member

Tja, dat krijg je dus van al die correcties, die echter toch nodig zijn bij al die posts.
Ik bedoel: tegengesteld vergeleken bij wat @Martin V voorstelde, en 'tegengesteld' aan de polariteit die je normaal zou verwachten bij sturing op de basis.

Er is de handige ezelsbrug dat je de spoelen a.h.w. 'door kunt winden' van de collector naar de basis, en dat dan de polariteit klopt voor oscillatie (tekening links; voedingen weggelaten).

Voor de transistor zelf maakt het niets (althans, heel weinig) uit als je het aardpunt voor de terugkoppelspoel aan de andere kant legt; er is nu sturing op de emitter (tekening rechts).
Het lijkt nu alsof de terugkoppelspoel omgekeerd is, en dus 'in tegenfaze' vergeleken bij het andere schema. Zijn andere kant zit nu aan massa.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

ik was nog aan het typen en intussen reageer je al.

maar zie dat we al dezelfde kant opgaan..

maar alleen de schakeling met Q2 is een juiste vervanger. dan zit je met geaarde basis en komen de bolletjes samen aan de referentie (ground). E en C ondergaan dezelfde richting van spanningsverandering.

schakeling met Q1 is GES, en dan zitten de bollen wel degelijk andersom.. (sturing van de tor in tegenfaze op de basis, tov collector)
Basis en colector geen tegengesteld bij spanningsverandering.

de transistor weet idd bijna het verschil niet, maar principieel gezien zijn het andere schakelingen. GBS en GES.

schakeling van TS is de GBS. (alhoewel ook niet zuiver, de regellus grijpt wel in op de basis)

[Bericht gewijzigd door kris van damme op 24 november 2020 00:45:28 (12%)]

Frederick E. Terman

Honourable Member

Ha, dat klinkt als een regenmeter - of een tuinornament. Beide kan ook, natuurlijk.

Het neonlampje had ik als kind in een randaardestekker gebouwd, waar het door het snoergat naar buiten keek. Weerstand en condensator ook in de stekker. Ding heeft nog jaren als oriëntatielichtje in de gang gezeten.

Die Puccle zoek ik op (of heb je een link?). Eccles ken ik al.

e: Oh ja, we zitten nu aardig door elkaar heen.

De clou van een oscillator is dat hij geen ingang heeft (voor het opgewekte signaal. Een regel-ingang kan natuurlijk wel).
Daarmee vervalt in principe het aspect 'gemeenschappelijk', omdat er geen ingangssignaal is om een gemeenschappelijke aansluiting met de uitgang te hebben.

In de uitleg wordt wel vaak zo geredeneerd, en daar is ook niet zoveel mis mee. Vanuit de transistor geredeneerd zou je het kunnen zeggen.
Maar als je je voorstelt dat je de complete schakeling, werkend, in een plastic doosje op tafel hebt liggen, en dan met een krokodilleklem aan een aardleiding aankomt, dan kun je die klem op een willekeurig punt zetten en de oscillator zou het verschil niet merken; geen enkele spanning of stroom zou veranderen, ook niet als je later een ander 'aardpunt' kiest.

'Is that the time?' ik moet echt even stoppen.. ;)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org