使用QSPICE了解和調(diào)整LED閃爍器電路

本文研究了QSPICE中LED閃光燈電路的振蕩行為，并學(xué)習(xí)了如何控制其開(kāi)啟時(shí)間和脈沖重復(fù)頻率。

本文是LTspice用戶關(guān)于QSPICE的四部分系列文章的第4部分。以下是到目前為止該系列的快速回顧：

第1部分：我們?cè)贚Tspice中創(chuàng)建并模擬了一個(gè)雙晶體管LED閃光燈電路。

第2部分：我們經(jīng)歷了從LTspice電路創(chuàng)建QSPICE原理圖的過(guò)程（有點(diǎn)費(fèi)力）。

第3部分：我們從LTspice導(dǎo)入了一個(gè)LED模型，然后使用QSPICE的波形查看器將其行為與第2部分中的LED實(shí)現(xiàn)進(jìn)行比較。

如果你還沒(méi)有讀過(guò)這些文章，你可能想在繼續(xù)之前瀏覽一下。否則，讓我們從中斷的地方繼續(xù)，結(jié)束對(duì)QSPICE閃光燈電路的研究。QSPICE的波形查看器將幫助我們了解電路工作的原因，以及如何調(diào)整脈沖寬度和振蕩頻率。

正如我在系列回顧中提到的，“QSPICE閃光燈電路”實(shí)際上可以指兩個(gè)不同的示意圖中的任何一個(gè)。這是因?yàn)長(zhǎng)Tspice LED組件在QSPICE庫(kù)中沒(méi)有直接的等效物。這兩個(gè)示意圖代表了解決該問(wèn)題的兩種不同方法：

用一個(gè)組件替換LED，在這種情況下，是一個(gè)與電壓源串聯(lián)的普通二極管，它模仿了LED的電流-電壓行為。

手動(dòng)將LED的SPICE模型導(dǎo)入QSPICE。

我們將使用導(dǎo)入的SPICE模型版本的電路（圖1）。

進(jìn)口SPICE型號(hào)的QSPICE LED閃光燈電路示意圖。

圖1 我們將在本文中研究QSPICE LED閃光燈電路

我們?cè)谏弦黄恼轮辛私獾?，只有在LED節(jié)點(diǎn)上施加一點(diǎn)額外電壓，導(dǎo)入的SPICE模型版本的電路才會(huì)振蕩。這就是為什么我們添加了你在上圖中看到的VFWD源——當(dāng)與QTLP690C LED模型結(jié)合時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向電壓略高的LED。

正如我們將在下一節(jié)中看到的，使用VFWD也揭示了閃光燈電路照明行為的一個(gè)重要方面。

正向電壓如何影響振蕩頻率

圖2至圖4繪制了三種不同VFWD值的LED電流。圖2中有100 mV的正向電壓，圖3中有400 mV，圖4中有800 mV。

圖2 添加了100 mV正向電壓的LED閃光燈電路

圖3添加了400 mV正向電壓的LED閃光燈電路

圖4 添加了800mV正向電壓的LED閃光燈電路

并排查看這些圖，很明顯脈沖頻率隨著正向電壓的增加而增加。出于實(shí)際原因，這一點(diǎn)很重要——因?yàn)椴煌腖ED具有不同的正向電壓特性，這意味著現(xiàn)實(shí)世界電路中的振蕩頻率取決于所選的特定LED部件。這也讓我們對(duì)轉(zhuǎn)向燈的功能有了一些基本的觀察。

理解振蕩行為

節(jié)點(diǎn)VLED實(shí)際上相當(dāng)復(fù)雜，直接連接到LED、三個(gè)電阻器和Q1的集電極。該節(jié)點(diǎn)處的電壓強(qiáng)烈影響振蕩頻率。

快速查看圖1中的Q2B節(jié)點(diǎn)可以看出，較高的VLED電壓對(duì)應(yīng)于較高的Q2基極電壓。這表明VLED的值以直接改變電路振蕩的方式影響Q2的操作。圖5顯示了LED電流（綠色軌跡）和Q2集電極電壓（紅色軌跡）之間的關(guān)系。

圖5 電流流過(guò)LED時(shí)Q2集電極的電壓行為

上圖顯示了LED點(diǎn)亮?xí)r集電極電壓的大幅下降。這告訴我們，當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，較高的Q2基極電壓也會(huì)導(dǎo)致Q2導(dǎo)通。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，其集電極電壓較低。

Q1的基極通過(guò)R2連接到Q2的集電極節(jié)點(diǎn)，因此其基極電壓也降低。如圖6所示，Q1基極電壓的下降增加了流經(jīng)Q1的電流。

圖6 Q1的基極電壓隨著Q2集電極電壓的降低而下降，導(dǎo)致通過(guò)Q1的電流增加

我們現(xiàn)在已經(jīng)完成了一個(gè)完整的循環(huán)——流經(jīng)Q1的電流被輸送到LED。我們可以將LED、Q1和Q2之間的相互作用總結(jié)如下：

LED照明的電流從電源流過(guò)Q1。

當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，VLED節(jié)點(diǎn)處的電壓較高，并且該電壓受到LED正向電壓特性的影響。

當(dāng)VLED增加時(shí)，Q2傳導(dǎo)更多電流。

增加Q2電流會(huì)降低Q1的基極電壓。

分析和調(diào)整振蕩特性

接下來(lái)，讓我們看看如何使用RC網(wǎng)絡(luò)（R6和C1）來(lái)調(diào)整閃光燈電路的頻率和脈沖寬度。我們將從檢查圖7開(kāi)始，該圖繪制了在同一時(shí)間段內(nèi)通過(guò)LED的電流和輸送到RC網(wǎng)絡(luò)的電流。

圖7 流過(guò)LED和晶體管Q2的電流遵循相同的模式

我們可以看到，輸送到RC網(wǎng)絡(luò)的電流與通過(guò)LED的電流一致，因此也與Q2的電流一致。

如圖8所示，從Q2發(fā)射極流出的電流對(duì)電容器（C1）充電，從而提高了RC網(wǎng)絡(luò)（VRC）兩端的電壓。該電流是電路振蕩行為的關(guān)鍵。

圖8 通過(guò)Q2的電流為RC網(wǎng)絡(luò)充電

Q2的基極到發(fā)射極電壓隨著VRC的增加而穩(wěn)步下降。當(dāng)VRC達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，Q2停止導(dǎo)通。這就是圖8中紅色軌跡行為的原因。其陡峭的上坡表示充電階段，之后電容器通過(guò)R6緩慢放電。

現(xiàn)在很明顯，RC網(wǎng)絡(luò)的充電/放電行為是電路振蕩時(shí)序的基礎(chǔ)。LED的開(kāi)啟時(shí)間對(duì)應(yīng)于RC網(wǎng)絡(luò)的充電持續(xù)時(shí)間；從一個(gè)脈沖結(jié)束到下一個(gè)脈沖開(kāi)始的延遲是RC網(wǎng)絡(luò)的放電持續(xù)時(shí)間。如圖9所示。

圖9 LED閃爍燈的完整周期，顯示RC網(wǎng)絡(luò)的充電和放電

調(diào)整頻率

基于上述情況，我們應(yīng)該能夠通過(guò)降低R6的值來(lái)增加頻率，以便更快地發(fā)生放電。圖10通過(guò)將R6從800kΩ降低到400kΩ來(lái)測(cè)試這一點(diǎn)。

圖10 脈沖頻率R6=400kΩ

正如預(yù)期的那樣，降低電阻會(huì)導(dǎo)致更高的脈沖頻率。

調(diào)整脈沖寬度

更高的電容意味著在充電階段電壓上升得更慢，因此我們應(yīng)該能夠通過(guò)增加C1的值來(lái)加寬脈沖。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，圖11中的圖是用C1=10μF而不是原始的3.3μF生成的。R6的值與圖10沒(méi)有變化，并且使用了相同的水平軸限制，因此可以直接比較脈沖寬度。

圖11 C1的脈沖寬度=10μF，比圖10增加了6.7μF

正如你所看到的，新的脈沖明顯更寬。通過(guò)對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的更改，我們可以控制LED閃光燈的脈沖重復(fù)率和脈沖寬度。

總結(jié)

以上是我為L(zhǎng)Tspice用戶撰寫的QSPICE系列文章。我寫這個(gè)系列的目的有兩個(gè)：

幫助SPICE用戶理解和優(yōu)化將LTspice電路移入QSPICE的任務(wù)。

為繪制原理圖、執(zhí)行模擬和使用QSPICE分析結(jié)果提供適度詳細(xì)和實(shí)用的介紹。

本文是LTspice用戶QSPICE系列文章的第4部分。第1至第3部分的鏈接可以在文章介紹中找到。本系列文章的完整列表也包括在下面：

LTspice用戶QSPICE簡(jiǎn)介

將LTspice原理圖傳輸?shù)絈SPICE

將SPICE模型從LTspice轉(zhuǎn)移到QSPICE

使用QSPICE了解和調(diào)整LED閃爍器電路