Генератор Ройера — это электронный релаксационный генератор , который использует трансформатор с насыщаемым сердечником в главном силовом контуре. Он был изобретен и запатентован в апреле 1954 года Ричардом Л. Брайтом и Джорджем Х. Ройером, которые указаны в патенте как соавторы. [1] Он обладает такими преимуществами, как простота, малое количество компонентов, прямоугольные формы сигнала и трансформаторная изоляция. Помимо того, что он является инвертором, его можно использовать как гальванически изолированный преобразователь постоянного тока, когда выходная обмотка трансформатора подключена к подходящему выпрямительному каскаду, 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 в оригинальной конструкции, запатентованной Royer. Другим недостатком является то, что потери мощности в трансформаторе могут быть очень значительными, поскольку он должен работать при своей максимальной (насыщающей) плотности магнитного потока на расчетной частоте. Таким образом, трансформатор является критическим компонентом инвертора Royer, который влияет на (a) его функцию (амплитуду и частоту выходного напряжения) и (b) на то, насколько хорошо он выполняет эту функцию (общую эффективность).
.png/1280px-Royer_Circuit_(Upscaled).png)
Схема генератора Ройера состоит из трансформатора с насыщаемым сердечником с первичной обмоткой с отводом от середины , обмотки обратной связи и (опционально) вторичной обмотки . Две половины первичной обмотки приводятся в действие двумя транзисторами в конфигурации push-pull . Обмотка обратной связи соединяет небольшое количество мощности трансформатора обратно с базами транзисторов для обеспечения положительной обратной связи , тем самым генерируя колебания. Частота колебаний определяется максимальной плотностью магнитного потока , напряжением источника питания и индуктивностью первичной обмотки .
Базовый Royer генерирует выходное напряжение прямоугольной формы , [2] , что может быть преимуществом для некоторых приложений. Это выходное напряжение прямоугольной формы может быть преобразовано в постоянное напряжение (DC), пропустив его через подходящий выпрямительный каскад (обычно диодный двухполупериодный мост, за которым следует фильтрующий дроссель и сглаживающий конденсатор).
Эта схема использует исключительно насыщение магнитного сердечника для переключения между двумя состояниями, что имеет три (3) важных последствия:
Во-первых, потери мощности в сердечнике из-за потерь на гистерезис высоки, 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 Royer оказываются больше и тяжелее, чем более современные примеры импульсных источников питания аналогичной 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):
Классическая схема осциллятора Ройера используется в некоторых инверторах постоянного тока в переменный, где выходной сигнал прямоугольной формы приемлем для нагрузки. Форма преобразователя постоянного тока в постоянный (преобразователь Ройера) была довольно популярна в 1970-х годах, в то время она обычно реализовывалась с помощью биполярных транзисторов. [3] Однако из-за недостатков, упомянутых выше, уровни мощности обычно ограничены несколькими сотнями ватт.
Используя отдельный насыщающийся магнитный сердечник для подачи только управляющих сигналов на транзисторы переключения, основной трансформатор больше не должен насыщаться, и поэтому его потери мощности могут быть значительно снижены. Поскольку добавленный трансформатор намного меньше основного трансформатора, его потери мощности из-за работы в насыщении приводят к гораздо меньшим потерям мощности, чем если бы основной трансформатор работал в насыщении. Это приводит к значительному повышению общей эффективности преобразователя и позволяет реализовать инверторы постоянного тока в переменный и преобразователи постоянного тока в постоянный с гораздо более высокими номинальными мощностями. Кроме того, теперь конструктор может свободно выбирать или проектировать основной трансформатор из гораздо более широкого диапазона подходящих компонентов и материалов. Это усовершенствование было впервые запатентовано Йенсеном в 1955 году, всего через 16 месяцев после того, как Ройер подал свой патент 06-апр-1954. [4]
Недостатком оригинального осциллятора Ройера является то, что нагрузка на транзисторы переключения высока во время переходного периода переключения (это время, когда транзисторный переключатель меняет состояние либо из (a) ВЫКЛ в ВКЛ, либо (b) ВКЛ в ВЫКЛ). В это время транзисторы испытывают как высокое напряжение, так и высокий ток одновременно, что приводит к высокому мгновенному рассеиванию мощности внутри транзистора. Этот недостаток устраняется путем установки индуктора между входным источником питания и средним отводом трансформатора. Этот индуктор позволяет напряжению в среднем отводе падать во время вышеупомянутых переходных периодов переключения, сохраняя при этом входной ток относительно постоянным (отсюда и название «токовый»), тем самым позволяя напряжению на каждом транзисторе быть низким, пока ток передается от одного транзистора к другому, тем самым значительно уменьшая мгновенное рассеивание мощности транзистора. Эта улучшенная версия называется токовыводным осциллятором Ройера в некоторых книгах. [5]
В большинстве примеров этого усовершенствования этот конструктор намеренно выбирает значение индуктивности этого индуктора (единицы генри ) достаточно большим, чтобы ток, протекающий в этом индукторе, был относительно постоянным; обычно ток будет иметь небольшую пульсирующую составляющую, скажем, пульсацию от пика до пика менее 30% от среднего значения. В таких случаях этот индуктор называется «дросселем постоянного тока» или просто «дросселем», см. Дроссель (электроника) .
Это усовершенствование можно применить и к упомянутому выше преобразователю Jensen.
Дальнейшее усовершенствование заключается в добавлении понижающего преобразователя между источником входного напряжения и дросселем (индуктором). Этот понижающий преобразователь может использоваться для регулирования тока, протекающего в дросселе, что позволяет контролировать выходное напряжение. Это усовершенствование, конечно, может быть применено с одинаковой эффективностью как к оригинальному варианту Ройера, так и к варианту Дженсена. Ранний пример этого можно найти в патенте США Джонса. [6]
Технология всегда развивается, и развитие автоколебательных схем не является исключением в этом отношении. В 1959 году, всего через несколько лет после того, как осциллятор Ройера был запатентован и опубликован, был изобретен новый осциллятор, который обычно называют «инвертором/преобразователем Баксандалла», поскольку он был запатентован Питером Джеймсом Баксандаллом [ 7] и первоначально был опубликован им в докладе на конференции 1959 года, в котором четко описывался его принцип работы. [8] Хотя инвертор/преобразователь Баксандалла действительно заслуживает собственной статьи в Википедии, он упоминается здесь кратко, поскольку его иногда называют «резонансным Ройером»; однако, как будет показано ниже, это неправильное название, поскольку его принцип работы совершенно отличается от принципа работы оригинального Ройера.
Существует еще одна конструкция автоколебательного инвертора/преобразователя, известная как «преобразователь Бэксандалла» (иногда ее неправильно называют «резонансным Ройером»), которая генерирует синусоидальное выходное напряжение, а не прямоугольное, которое также используется для преобразования постоянного тока в постоянный при подключении к подходящему выпрямительному каскаду. Впервые это было описано в 1959 году Питером Джеймсом Бэксандаллом . [7] Существует три основных различия между осциллятором Ройера и осциллятором Бэксандалла, эти различия объясняются ниже в контексте их применения в области преобразования энергии ( инвертор мощности постоянного тока в переменный или преобразователь постоянного тока в постоянный ).
Во-первых, дроссель (индуктор) последовательно подключается к питающему напряжению первичной обмотки трансформатора. Это делает инвертор Baxandall токоподводящим, как и упомянутые выше токоподводящие варианты Royer.
Во-вторых, резонансный контур формируется путем добавления конденсатора параллельно трансформатору, либо на первичной стороне через транзисторы переключения, либо на вторичной стороне через выходную обмотку, или в комбинации того и другого. Это изменение означает, что выходное напряжение Баксандалла представляет собой синусоиду (см. Синусоида ), тогда как выходное напряжение классической схемы Ройера представляет собой прямоугольную волну (см. Прямоугольная волна ).
Наконец, третье важное отличие заключается в том, что трансформатор не насыщается или не должен насыщаться. Переключение между двумя транзисторами осуществляется просто через естественный резонанс, который происходит между индуктором и конденсатором, а НЕ через насыщение магнитного компонента. Это фундаментальное различие между этими двумя осцилляторами: самовозбуждение Ройера происходит из-за насыщения магнитного компонента (см. Насыщение (магнитное) ), тогда как самовозбуждение Баксандалла происходит из-за резонанса LC (см. резонанс ).
Когда один транзистор включен, его коллекторное напряжение 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 его напряжение представляет собой полусинусоиду (пик = Vin * PI). Транзисторы направляют входной ток в каждую из первичных обмоток трансформатора поочередно. Противоположные токи в первичных обмотках всегда уравновешиваются, но вся первичная обмотка «видит» полную синусоиду. Таким образом, синусоида может быть сгенерирована, позволяя транзисторам попеременно полностью включаться и выключаться в двухтактном режиме. Это единственное сходство с преобразователем Ройера.
Напряжение на узле центрального отвода трансформатора колеблется вверх и вниз, поскольку индуктор противодействует изменению тока. В результате форма волны очень похожа на выход двухполупериодного выпрямителя (см. Выпрямитель ). Напряжение питания постоянного тока равно среднему значению, поэтому отвод достигает пика примерно при (pi/2)*Vcc. Поскольку трансформатор действует как автотрансформатор 2:1 на первичной обмотке, напряжение коллектора «выключенного» транзистора достигает удвоенного значения, или pi умноженного на Vcc.
Схема, использующая похожую идею, появляется в патенте 1973 года на преобразователь постоянного тока, выданном Bell Telephone Laboratories [9], который, что интересно, использует как резонанс, так и магнитное насыщение.
Схема такого типа использовалась для управления ЭЛТ осциллографа Tektronix 547. [10]
Другое применение преобразователя Баксандалла — питание люминесцентных ламп с холодным катодом ( CCFL ). CCFL демонстрируют ухудшение эффективности преобразования тока в свет при наличии гармоник , поэтому лучше управлять ими с помощью синусоидальной, а не прямоугольной волны. [11] Для обеспечения регулировки интенсивности света интегральная схема обычно управляет широтно-импульсным модулированным сигналом на затворе дополнительного транзистора, образуя понижающий («buck») преобразователь с питающим дросселем. [12] Другие интегральные схемы также управляют двумя транзисторами генератора и определяют нулевую впадину среднего отвода трансформатора, чтобы сделать это. [13]
Преобразователь Баксандалла в последнее время использовался для управления люминесцентными трубками от низковольтных источников, часто с использованием перезаряжаемых батарей, для аварийного освещения и 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 (CFL), который недавно был расширен для управления низковольтными светодиодными лампами.
Оригинальный осциллятор/инвертор Ройера является примером «автоколебательного контура», поскольку его частота работы определяется исключительно внешним источником питания (входным постоянным напряжением) и по крайней мере одним из основных силовых компонентов, которые обрабатывают полную мощность, проходящую через аппарат, см. примечание 1 ниже. Существуют и другие примеры автоколебательных инверторов (и преобразователей), которые иногда называют тем же названием «Ройер» (или его вариациями), несмотря на то, что они работают по совершенно другим принципам. Осциллятор Баксандалла является ярким примером, поскольку его иногда называют «резонансным Ройером», или «саморезонансным Ройером», или «LC Ройером», но его работа не имеет ничего общего с магнитным насыщением, на котором основан Ройер, он работает по принципу естественного резонанса электрической энергии, который возникает между индукторами и конденсаторами, работающими в их ненасыщающихся состояниях. Магнитное насыщение обычно крайне нежелательно в генераторе Баксандалла, и на самом деле, это то, чего разработчики большинства оборудования для преобразования энергии очень стараются избегать. Тот факт, что оригинальный Royer использует магнитное насыщение своего основного сердечника 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 полагаются на тот же принцип.
К сожалению, эта путаница в названиях стала распространенной в современной литературе (например, в технических описаниях [14]) и является одной из тем этого обмена мнениями между двумя весьма уважаемыми специалистами в области схемотехнического проектирования [15] .
Генератор Ройера был одним из первых примеров автоколебательных схем, которые стали широко использоваться и популяризироваться, поэтому, возможно, понятно, что название «Ройер» применялось к другим автоколебательным схемам в течение последующих десятилетий. Кроме того, слово «Ройер» или «класс Ройера» удобнее, чем писать «автоколебательная инверторная/преобразовательная схема на основе магнитного насыщения основного силового трансформатора». Однако нам следует избегать неправильного использования названия «Ройер», поскольку это 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 придерживаются концепций оригинального патента.
Первое имя, которое появляется в оригинальном патенте на осциллятор Ройера, — Ричард Л. Брайт, а имя Ройера стоит вторым, однако осциллятор Ройера редко упоминается как «осциллятор Брайта». Для сравнения, имя «Баксандалл» появляется 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 частота работы не зависит от основных компонентов питания и обычно определяется вспомогательной схемой управления, которая не участвует в какой-либо передаче мощности между основными портами питания устройства, например: микросхемой управления.