Осциллятор Ройера
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Генератор Ройера — это генератор электронной релаксации используется с насыщающимся сердечником трансформатор , в котором в основной цепи питания . Он был изобретен и запатентован в апреле 1954 года Ричардом Л. Брайтом и Джорджем Х. Ройером, которые указаны в качестве соавторов патента. [1] Его преимущества заключаются в простоте, малом количестве компонентов, прямоугольной форме сигнала и трансформаторной изоляции. Помимо того, что он является инвертором, его можно использовать в качестве гальванически изолированного преобразователя постоянного тока, когда выходная обмотка трансформатора подключена к подходящему выпрямляющему каскаду, и в этом случае полученное устройство обычно называют «преобразователем Ройера».
Он имеет некоторые недостатки, наиболее заметным из которых является то, что его выходное напряжение (как амплитуда, так и частота) сильно зависит от входного напряжения, и это невозможно преодолеть без существенных изменений исходной конструкции, запатентованной Ройером. Другим недостатком является то, что потери мощности в трансформаторе могут быть очень значительными, поскольку он должен работать с максимальной (насыщающей) плотностью магнитного потока на расчетной частоте. Следовательно, трансформатор является критически важным компонентом инвертора Ройера, который влияет на (а) его функцию (амплитуда и частота выходного напряжения) и (б) насколько хорошо он выполняет эту функцию (общий КПД).
Описание
[ редактировать ]
Схема генератора Ройера состоит из трансформатора с насыщающимся сердечником с центральным отводом , первичной обмоткой , обмоткой обратной связи и (опционально) вторичной обмоткой . Две половины первичной обмотки управляются двумя транзисторами в двухтактной конфигурации. Обмотка обратной связи передает небольшое количество мощности трансформатора обратно на базы транзисторов , обеспечивая положительную обратную связь , тем самым генерируя колебания. Частота колебаний определяется максимальной плотностью магнитного потока , напряжением питания и индуктивностью первичной обмотки .
Базовый Royer генерирует прямоугольной формы . выходное напряжение [2] что может быть преимуществом для некоторых приложений. Это прямоугольное выходное напряжение можно преобразовать в постоянное напряжение (DC), пропустив его через подходящий каскад выпрямителя (обычно диодный двухполупериодный мост, за которым следует фильтрующий дроссель и сглаживающий конденсатор).
Эта схема полагается исключительно на насыщение магнитного сердечника, вызывая переключение между двумя состояниями, что имеет три (3) важных последствия:
Во-первых, потери мощности в сердечнике из-за потерь на гистерезис велики, что снижает эффективность преобразования мощности. Потери мощности в магнитных материалах пропорциональны пиковой плотности потока, возведенной в степень от 2 до 3, и частоте, возведенной в степень от 1 до 2, см. уравнение Штейнмеца .
Во-вторых, существует верхний предел частоты работы. Это приводит к тому, что практические преобразователи Ройера больше и тяжелее, чем более современные образцы импульсных источников питания аналогичной номинальной мощности, которые работают на гораздо более высоких частотах.
В-третьих, это ограничивает выбор подходящего материала сердечника, вот список некоторых распространенных материалов (обратите внимание на плотность потерь мощности):
| Основной материал | Плотность потока насыщения/Г | Потери в сердечнике Вт/см 3 при 50 кГц |
|---|---|---|
| Тошиба МБ | 6000 | 0.49 |
| Метглас 2714А | 6000 | 0.62 |
| Квадрат Пермаллой 80 (0,5 мил) | 7800 | 0.98 |
| Квадрат Пермаллоя 80 (1 мил) | 7800 | 4.2 |
| Феррит Тип 84 | 4000 | 4 |
Приложения
[ редактировать ]Классическая схема генератора Ройера используется в некоторых инверторах постоянного и переменного тока, где выходной сигнал прямоугольной формы приемлем для нагрузки. Преобразователь постоянного тока (конвертер Ройера) был довольно популярен в 1970-х годах, в то время он обычно реализовывался на биполярных транзисторах. [3] Однако из-за упомянутых выше недостатков уровни мощности обычно ограничиваются несколькими сотнями ватт.
Варианты и улучшения
[ редактировать ]Дженсен Осциллятор/Конвертер
[ редактировать ]Благодаря использованию отдельного насыщающего магнитного сердечника для подачи только управляющих сигналов на переключающие транзисторы, главному трансформатору больше не требуется насыщать, и поэтому его потери мощности могут быть значительно уменьшены. Поскольку добавленный трансформатор намного меньше основного трансформатора, его потери мощности из-за работы в режиме насыщения приводят к гораздо меньшим потерям мощности, чем если бы главный трансформатор работал в режиме насыщения. Это приводит к значительному повышению общей эффективности преобразователя и позволяет использовать инверторы постоянного тока в переменный ток и преобразователи постоянного тока в постоянный ток гораздо более высокой номинальной мощности. Более того, теперь проектировщик может свободно выбирать или проектировать главный трансформатор из гораздо более широкого спектра подходящих компонентов и материалов. Это усовершенствование было впервые запатентовано Дженсеном в 1955 году, всего через 16 месяцев после того, как Ройер подал свой патент 6 апреля 1954 года. [4]
Конвертер Ройера/Йенсена в текущей федеральной системе
[ редактировать ]Недостатком оригинального генератора Ройера является то, что нагрузка на переключающие транзисторы высока во время переходного периода переключения (это время, когда транзисторный ключ меняет состояние либо с (а) ВЫКЛ на ВКЛ, либо (б) ВКЛ на ВЫКЛ. ). В течение этого времени транзисторы одновременно испытывают как высокое напряжение, так и большой ток, что приводит к высокой мгновенной рассеиваемой мощности внутри транзистора. Этот недостаток устраняется путем установки дросселя между входным источником питания и центральным отводом трансформатора. Этот дроссель позволяет напряжению центрального отвода падать во время вышеупомянутых переходных периодов переключения, сохраняя при этом входной ток относительно постоянным (отсюда и название «подача тока»), что позволяет напряжению на каждом транзисторе быть низким во время передачи тока. от одного транзистора к другому, тем самым значительно уменьшая мгновенную рассеиваемую мощность транзистора. называют генератором Ройера с токовой подачей . Эту улучшенную версию в некоторых книгах [5]
В большинстве примеров этого улучшения разработчик намеренно выбирает значение индуктивности этого индуктора (единицы генри ) достаточно большим, чтобы ток, протекающий в этом индукторе, был относительно постоянным; обычно ток будет иметь небольшую пульсацию, скажем, пульсацию от пика до пика менее 30% от среднего значения. В таких случаях этот дроссель называют «дроссель постоянного тока» или просто «дроссель», см. Дроссель (электроника) .
Это улучшение также может быть применено к упомянутому выше преобразователю Jensen.
Конвертер Ройера/Йенсена с регулируемым током
[ редактировать ]Дальнейшим усовершенствованием является добавление понижающего преобразователя между источником входного напряжения и дросселем (индуктором). Этот понижающий преобразователь можно использовать для регулирования тока, протекающего в дросселе, позволяя контролировать выходное напряжение. Это усовершенствование, конечно, можно с одинаковой эффективностью применить как к оригинальному варианту Ройера, так и к варианту Дженсена. Ранний пример этого можно найти в патенте США Джонса. [6]
Более поздние разработки
[ редактировать ]Технологии всегда развиваются, и разработка автоколебательных цепей в этом отношении не является исключением. В 1959 году, всего через несколько лет после того, как генератор Ройера был запатентован и опубликован, был изобретен новый генератор, который обычно называют «инвертор/конвертер Баксандалла», поскольку он был запатентован Питером Джеймсом Баксандаллом . [7] и первоначально был опубликован им в документе конференции 1959 года, в котором четко описывается его действие. [8] Хотя инвертор/преобразователь Baxandall действительно заслуживает отдельной статьи в Википедии, здесь он упоминается кратко, поскольку его иногда называют «резонансным Ройером»; однако, как будет показано ниже, это неправильное название, поскольку его принцип действия полностью отличается от принципа действия оригинального Ройера.
Синусоидальный осциллятор (Баксандалл, также известный как «Резонансный Ройер» против оригинального Ройера)
[ редактировать ]Существует еще одна конструкция автоколебательного инвертора/преобразователя, известная как «преобразователь Баксандалла» (иногда неправильно называемый «резонансным Ройером»), которая генерирует выходное напряжение синусоидальной формы, а не прямоугольной волны, которая также используется для преобразования постоянного тока в постоянный ток. при подключении к подходящему каскаду выпрямителя. Впервые это было описано в 1959 году Питером Джеймсом Баксандаллом . [7] Существует три основных различия между генератором Ройера и генератором Баксандалла. Эти различия объяснены ниже в контексте их применения в области преобразования энергии ( инвертор постоянного тока в переменный ток или преобразователь постоянного тока в постоянный ток ). .
Сначала дроссель (индуктор) подключают последовательно с питающим напряжением к первичному отводу трансформатора. Это делает инвертор Baxandall питаемым током, как и упомянутые выше варианты Royer с токовым питанием.
Во-вторых, резонансный контур формируется путем добавления конденсатора параллельно трансформатору либо на первичной стороне через переключающие транзисторы, либо на вторичной стороне через выходную обмотку, либо на комбинации того и другого. Это изменение означает, что выходное напряжение Baxandall представляет собой синусоидальную волну (см. Синусоидальную волну ), тогда как выходное напряжение классической схемы Ройера представляет собой прямоугольную волну (см. Прямоугольную волну ).
Наконец, третье важное отличие состоит в том, что трансформатор не насыщается или не должен насыщаться. Переключение между двумя транзисторами осуществляется просто за счет естественного резонанса, возникающего между катушкой индуктивности и конденсатором, а НЕ за счет насыщения магнитного компонента. В этом фундаментальное различие между этими двумя генераторами: Ройер автоколебает из-за насыщения магнитного компонента (см. Насыщение (магнитный) ), тогда как Баксандалл автоколебает из-за LC-резонанса (см. Резонанс ).
Операция
[ редактировать ]Когда один транзистор включен, напряжение на его коллекторе близко к нулю и он направляет ток входного дросселя в одну из первичных обмоток. В то же время другой транзистор выключен, его ток равен нулю, а напряжение имеет полусинусоидальное значение (пик = Vin * PI). Транзисторы поочередно направляют входной ток в каждую из первичных обмоток трансформатора. Противоположные токи в первичных обмотках всегда уравновешиваются, но вся первичная обмотка «видит» полную синусоида. Таким образом, можно генерировать синусоидальную волну, позволяя транзисторам попеременно полностью включаться и выключаться в двухтактном режиме. Это единственное сходство с преобразователем Ройера.
Напряжение на центральном отводе трансформатора колеблется вверх и вниз, поскольку индуктор противодействует изменению тока. В результате форма сигнала очень похожа на выходной сигнал двухполупериодного выпрямителя (см. «Выпрямитель »). Напряжение питания постоянного тока соответствует среднему значению, поэтому пиковое значение отвода составляет примерно (pi/2)*Vcc. Поскольку трансформатор действует как автотрансформатор 2:1 на первичной обмотке, напряжение коллектора «выключенного» транзистора увеличивается в два раза, или в пи раз, Vcc.
Приложения
[ редактировать ]Схема, использующая аналогичную идею, появляется в патенте 1973 года на преобразователь постоянного тока, переданном Bell Telephone Laboratories. [9] который, что интересно, использует как резонанс, так и магнитное насыщение.
Схема такого типа использовалась при управлении ЭЛТ осциллографа Tektronix 547 . [10]
Еще одно применение преобразователя Baxandall — питание люминесцентных ламп с холодным катодом ( CCFL ). CCFL демонстрируют ухудшение своей выходной эффективности ток-свет в присутствии гармоник , поэтому лучше управлять ими синусоидальной волной, чем прямоугольной. [11] Чтобы обеспечить регулировку интенсивности света, интегральная схема обычно подает широтно-импульсный модулированный сигнал на затвор дополнительного транзистора, образуя понижающий («понижающий») преобразователь с питающим дросселем. [12] Другие интегральные схемы также управляют двумя транзисторами генератора и для этого определяют нулевую впадину среднего отвода трансформатора. [13]
Преобразователь Баксандалла недавно использовался для управления люминесцентными лампами от источников низкого напряжения, часто с использованием перезаряжаемых батарей, для аварийного освещения, кемпинга и т. Д. Также в своей статье 1959 года Баксандалл описал вариант синусоидального генератора с переключением напряжения. Этот вариант, по-видимому, был предшественником большинства двухтранзисторных драйверов для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), которые недавно были расширены для управления низковольтными светодиодными лампами.
Путаница в названиях: «Баксандал» против «Резонансного Ройера»
[ редактировать ]Оригинальный генератор/инвертор Ройера является примером «автоколебательной схемы», поскольку его рабочая частота определяется исключительно внешним источником энергии (входным постоянным напряжением) и, по крайней мере, одним из основных силовых компонентов, которые обрабатывают полную мощность. мощность, проходящая через устройство, см. примечание 1 ниже. Существуют и другие примеры автоколебательных инверторов (и преобразователей), которые иногда называют одним и тем же названием «Ройер» (или его вариациями), несмотря на то, что они работают по совершенно другим принципам. Ярким примером является генератор Баксандалла, поскольку его иногда называют «резонансным Ройером», или «саморезонансным Ройером», или «LC-Ройером», но его работа не имеет ничего общего с магнитным насыщением, на котором полагается Ройер. , он действует по принципу естественного резонанса электрической энергии, возникающего между катушками индуктивности и конденсаторами, работающими в ненасыщающем состоянии. Магнитное насыщение обычно крайне нежелательно для генератора Баксандалла, и, по сути, разработчики большинства устройств преобразования энергии стараются избегать этого. Тот факт, что оригинальный Royer использует магнитное насыщение сердечника своего главного силового трансформатора в качестве основного принципа работы, делает его совершенно уникальным среди широкого спектра схем, которые использовались в области преобразования энергии за последние несколько десятилетий; поэтому его название не следует небрежно применять к другим схемам преобразования энергии, которые не основаны на том же принципе.
К сожалению, эта путаница в названиях стала широко распространена в современной литературе (например, в таблицах данных, [14] и является одной из тем обмена мнениями между двумя уважаемыми специалистами в области схемотехники. [15]
Генератор Ройера был одним из первых примеров автоколебательных схем, получивших широкое распространение и популяризацию, поэтому, возможно, понятно, что название «Ройер» применялось к другим автоколебательным схемам в течение следующих десятилетий. Кроме того, слово «Ройер» или «Ройер-класс» удобнее, чем писать «автоколебательная схема инвертора/преобразователя, основанная на магнитном насыщении главного силового трансформатора». Однако нам следует избегать неправильного использования имени «Ройер», поскольку оно может только создать путаницу. Прошло уже более 50 лет с тех пор, как эти схемы были впервые изобретены, поэтому название «Ройер» следует применять только к тем схемам, которые строго соответствуют концепциям оригинального патента.
Первое имя, которое появляется в оригинальном патенте на генератор Ройера, - Ричард Л. Брайт, а имя Ройера появляется вторым, однако генератор Ройера редко называют «генератором Брайта». Для сравнения, имя «Баксандалл» фигурирует в качестве первого имени — фактически, единственного имени — как в патенте, так и в первоначальной публикации.
Примечание 1. Сравните это со схемами преобразователей мощности, которые не являются «автоколебательными», где рабочая частота не зависит от основных силовых компонентов и обычно определяется вспомогательной схемой управления, которая не участвует в передаче мощности между основные порты питания устройства, например: микросхема управления.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Брайт, Ричард Л.; Ройер, Джордж Х. Патент США № 2,783,384 «Электрические инверторные схемы» (подана: 6 апреля 1954 г.; выдана: 26 февраля 1957 г.).
- ^ Прессман и др., с. 266
- ^ Майк Голио (2010). Справочник по ВЧ и СВЧ . ЦРК Пресс. стр. 3–66. ISBN 978-1-4200-3676-3 .
- ^ Дженсен, Джеймс Л. «Осцилляторы» Патент США №. 2774878 (подана: 29 августа 1955 г.; выдана: 18 декабря 1956 г.)
- ^ Прессман и др., с. 271
- ^ Джонс, Дуайт В. «Инвертор тока с насыщающим выходным трансформатором» Патент США №. 4344122 (подана: 5 сентября 1980 г.; выдана: 10 августа 1982 г.).
- ^ Jump up to: а б Баксандалл, Питер Джеймс «Транзисторные схемы генератора и усилителя», патент Великобритании №. 959 550 (подано: 13 марта 1959 г.; выдано: 8 июня 1960 г.).
- ^ Баксандалл, П.Дж. (май 1959 г.). «Транзисторные синусоидальные LC-генераторы: некоторые общие соображения и новые разработки» (PDF) . Труды IEE - Часть B: Электронная и коммуникационная техника . 106 (16С): 748–758. См.: Рис. 5, с. 751.
- ^ «Частотно-регулируемый инвертор» . Проверено 28 марта 2023 г.
- ^ Джим Уильямс (1998). Искусство и наука проектирования аналоговых схем . Ньюнес. п. 145. ИСБН 978-0-08-049943-7 .
- ^ Уильямс (1998), с. 157
- ^ «Контроллер драйвера люминесцентной лампы BiCMOS с холодным катодом» (PDF) . Продукты Unitrode/Техасские инструменты . Проверено 30 августа 2020 г. (включая паспорт UCC3973)
- ^ «Резонансный регулятор балласта лампы» (PDF) . Unitrode/Техасские инструменты . Проверено 30 августа 2020 г. (технические данные UC3872)
- ^ «Контроллеры подсветки CCFL с широким диапазоном яркости» (PDF) . datasheets.maximintegrated.com . Проверено 28 марта 2023 г.
- ^ Обмен письмами EDN « Ройер под любым другим именем » между Брайсом Хестерманом и Джимом Уильямсом . Опубликовано 21 ноября 1996 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Авраам Прессман ; Кейт Биллингс; Тейлор Мори (2009). Проектирование импульсных источников питания, 3-е изд . МакГроу Хилл Профессионал. стр. 266–278. ISBN 978-0-07-159432-5 . Содержит подробный анализ версии полевом транзисторе. (классического) генератора Ройера на
- Джонсон И. Агбинья, изд. (2012). Беспроводная передача энергии . Речное издательство. стр. 187–193. ISBN 978-87-92329-23-3 . Содержит аналитический вывод формул для схемы Баксандалла («резонансного Ройера») и сравнение с данными, измеренными на реальной схеме (с использованием МОП-транзисторов).
- Ройер, GH (1955). «Переключающий транзисторный преобразователь постоянного тока в переменный, имеющий выходную частоту, пропорциональную входному напряжению постоянного тока». Труды Американского института инженеров-электриков, Часть I: Связь и электроника . 74 (3): 322–326. дои : 10.1109/TCE.1955.6372293 . S2CID 51650425 . . Статья Ройера 1955 года о его схеме.
- Джордж Генри (2000), « Проектирование инвертора CCFL с прямым приводом LX1686 ». Рекомендации по применению Microsemi AN-13. Содержит критику Баксандалла («резонансного Ройера»), используемого в приложениях CCFL (и предлагает другую конструкцию инвертора).