Жоғары жиілікті импульстік трансформатор және оның қолданылуы
Flyback transformer
Жоғары жиілікті трансформаторлар (FBT/LOPT) туралы: CRT құбырларын басқару, қуат көздерінде қолданылуы, жұмыс принципі. Электр жүйесіне арналған маңызды компонент.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жоғары жиілікті импульстік трансформатор, көбінесе катодты сәулелі құбырларды қозғау үшін қолданылады.
High frequency pulse transformer, commonly used to drive cathode ray tubes
Flyback трансформаторы (FBT), сондай-ақ желілік шығыс трансформаторы (LOPT) деп аталады, электр трансформаторының ерекше түрі. Ол бастапқыда салыстырмалы түрде жоғары жиілікте жоғары кернеулі тісті сигналдарды жасау үшін ойластырылған. Қазіргі қолданыстарда, ол төмен (3 В) және жоғары кернеулі (10 кВ-тан жоғары) қуат көздерінде, коммутациялық режимді қуат көздерінде кеңінен қолданылады.
A flyback transformer (FBT), also called a line output transformer (LOPT), is a special type of electrical transformer. It was initially designed to generate high voltage sawtooth signals at a relatively high frequency. In modern applications, it is used extensively in switched mode power supplies for both low (3 V) and high voltage (over 10 kV) supplies.
Тарих
Flyback трансформаторының схемасы катодты сәулелі түтіктегі (CRT) электронды сәуленің көлденең қозғалысын басқару үшін ойлап табылды. Құрылымдық трансформаторлардан өзгеше, flyback трансформаторына күтілетін шығыс тогымен ұқсас толқын пішініндегі сигнал түспейді. Мұндай трансформатордың пайдалы қосымша ерекшелігі – оның магниттік тізбегіндегі мол энергия. Бұл энергияны қосымша орамдар арқылы пайдаланып, жабдықтың басқа бөліктерін қуатпен қамтамасыз етуге болады. Атап айтқанда, салыстырмалы түрде аз орамдарды қолдану арқылы жоғары кернеуге оңай қол жеткізіледі, ал түзетілгеннен кейін CRT үшін өте жоғары үдеу кернеуін қамтамасыз етуге мүмкіндік туады. Мұндай трансформатордың көптеген жаңа қолданыстары жоғары кернеуді жасау қажеттілігінен бас тартады және құрылғыны дәстүрлі желілік трансформатордан әлдеқайда кішкентай трансформаторды пайдалана отырып, кең ауқымдағы төмен кернеуді тиімді өндіру құралы ретінде қолданады.
The flyback transformer circuit was invented as a means of controlling the horizontal movement of the electron beam in a cathode ray tube (CRT). Unlike conventional transformers, a flyback transformer is not fed with a signal of the same waveshape as the intended output current. A convenient side effect of such a transformer is the considerable energy that is available in its magnetic circuit. This can be exploited using extra windings to provide power to operate other parts of the equipment. In particular, very high voltages are easily obtained using relatively few turns of windings which, after rectification, can provide a very high accelerating voltage for a CRT. Many more recent applications of such a transformer dispense with the need to produce high voltages and use the device as a relatively efficient means of producing a wide range of lower voltages using a transformer that is much smaller than a conventional mains transformer.
Жұмыс істеу және пайдалану
Flyback трансформаторының біріншілік орауы DC қуат көзінен (әдетте транзистордан) келетін қосқышпен басқарылады. Қосқыш қосылғанда, біріншілік индуктивтілік токтың өсу кезінде біртіндеп артуына себеп болады. Екіншілік орамамен тізбекте жалғанған диод, біріншілік токқа қарсы келетін екіншілік токтың пайда болуын болдырмайды. Қосқыш өшірілгенде, біріншілік токқа ағысы нөлге жетеді. Магниттік өзектің ішінде сақталған энергия, магниттік өріс құлағанда екіншілік орамаға беріледі. Шығыс орамасындағы кернеу өте жылдам (әдетте микросекундтан кем) өседі, жүктеме шарты оны шектейтінше. Кернеу екіншілік токтың ағынын қабылдайтын деңгейге жеткенде, заряд ағыны төмендейтін қисық сызық сияқты болады. Содан кейін цикл қайталанады. Егер екіншілік ток толығымен нөлге дейін төмендесе (өзектің ішінде энергия сақталмайды), онда трансформатор үзіліс режимінде жұмыс істейді деп айтылады. Екіншілік ток әрқашан нөлден жоғары болса (біраз энергия әрқашан өзектің ішінде сақталады), онда бұл үздіріссіз режим болып табылады. Бұл терминология, әсіресе қуат көзі трансформаторларында қолданылады. Төмен кернеулі шығыс орамасы біріншілік ток қисығын қайталайды және, мысалы, теледидар мақсаты үшін, біріншілік орамадан аз айналымдарға ие, осылайша жоғары ток береді. Бұл дисплейдің көлденең (сызықтық) жиілігінде қайталанатын, өсу және импульстік толқын формасы. Flyback (қисық сызықтың тік бөлігі) егер энергияға баратын жер болмаса, flyback трансформаторы үшін проблема тудыруы мүмкін: магниттік өріс неғұрлым жылдам құласа, соғұрлым көп кернеу индукцияланады, егер басқарылмаса, трансформатордың терминалдарында разряд пайда болуы мүмкін. Қолданылатын жоғары жиілік, әлдеқайда кішкентай трансформаторды пайдалануға мүмкіндік береді. Теледидарларда бұл жоғары жиілік шамамен 15 килогерц (PAL үшін 15.625 кГц, NTSC үшін 15.734 кГц), ал магнитострикциядан туындаған трансформатор өзегінің дірілдеуі көбінесе жоғары дыбыстың қысқа уақытты шуы ретінде естіледі. CRT негізіндегі компьютер дисплейлерінде жиілік шамамен 30 кГц-ден 150 кГц-ға дейін кең ауқымда өзгеруі мүмкін. Трансформатор қосымша орамалармен жабдықталуы мүмкін, олардың жалғыз мақсаты – магниттік өріс құлағанда салыстырмалы түрде үлкен кернеу импульсін тудыру. Магниттік өрісте көп мөлшерде энергия сақталады, оны қосымша орамалар арқылы шығару оның жылдам құлауына көмектеседі және басқа жағдайда пайда болуы мүмкін кернеудің разрядына жол бермейді. Flyback трансформаторының орамаларынан келетін импульстік тізбек қарапайым жарты толқынды түзеткіш арқылы тұрақты токқа айналдырылады. Қарама-қарсы полярлылықтағы импульстер болмағандықтан, толық толқынды схеманы пайдаланудың қажеті жоқ. Бір ораманың айналымы көбінесе бірнеше вольт импульстерін шығарады. Ескі теледидар конструкцияларында трансформатор CRT үдету кернеуі үшін қажетті жоғары кернеуді тікелей шығарды, шығысы қарапайым түзеткішпен түзетілді. Заманауи конструкцияларда түзеткіш кернеуді көбейтушімен ауыстырылады. Түсті теледидарларда жоғары кернеуді басқару үшін реттегіш те болуы керек. Ең алғашқы жиынтықтарда шунтты вакуумдық түтік реттегіші қолданылды, бірақ қатты күйдегі жиынтықтардың енгізілуімен қарапайым кернеуге тәуелді резистор қолданылды. Түзетілген кернеу содан кейін катодты сәулелі түтіктің соңғы анодын қуаттау үшін қолданылады. Теледидар схемасының басқа бөліктерін қуаттау үшін төмен кернеуді өндіретін қосымша орамалар жиі болады. Заманауи тюнерлердегі варактор диодтарын бұрмалау үшін қолданылатын кернеу көбінесе flyback трансформаторынан ("Line OutPut Transformer" LOPT) алынады. Лампалы жиынтықтарда, HV екіншілік орамасының қарама-қарсы жағында HV түзеткіш түтігінің қыздырғышын қосу үшін қолданылатын бір немесе екі айналымды қыздырғыш орама орналасқан.
The primary winding of the flyback transformer is driven by a switch from a DC supply (usually a transistor). When the switch is switched on, the primary inductance causes the current to build up in a ramp. An integral diode connected in series with the secondary winding prevents the formation of a secondary current that would eventually oppose the primary current ramp. When the switch is turned off, the current in the primary falls to zero. The energy stored in the magnetic core is released to the secondary as the magnetic field in the core collapses. The voltage in the output winding rises very quickly (usually less than a microsecond) until the load conditions limit it. Once the voltage reaches such a level as to allow a secondary current, the charge flow is like a descending ramp. The cycle can then be repeated. If the secondary current is allowed to drop completely to zero (no energy stored in the core), then it is said that the transformer works in discontinuous mode. When the secondary current is always non zero (some energy is always stored in the core), then this is continuous mode. This terminology is used especially in power supply transformers. The low voltage output winding mirrors the sawtooth of the primary current and, e. g. for television purposes, has fewer turns than the primary, thus providing a higher current. This is a ramped and pulsed waveform that repeats at the horizontal (line) frequency of the display. The flyback (the vertical portion of the sawtooth wave) can be a potential problem for the flyback transformer if the energy has nowhere to go: the faster a magnetic field collapses, the greater the induced voltage, which, if not controlled, can flash over the transformer terminals. The high frequency used permits the use of a much smaller transformer. In television sets, this high frequency is about 15 kilohertz (15.625 kHz for PAL, 15.734 kHz for NTSC), and vibrations from the transformer core caused by magnetostriction can often be heard as a high pitched whine. In CRT based computer displays, the frequency can vary over a wide range, from about 30 kHz to 150 kHz. The transformer can be equipped with extra windings whose sole purpose is to induce a relatively large voltage pulse when the magnetic field collapses as the input switch is turned off. There is considerable energy stored in the magnetic field, and coupling it out via extra windings helps it to collapse quickly, and avoids the voltage flash over that might otherwise occur. The pulse train coming from the flyback transformer windings is converted to direct current by a simple half wave rectifier. There is no point in using a full wave design as there are no corresponding pulses of opposite polarity. One turn of a winding often produces pulses of several volts. In older television designs, the transformer produced the required high voltage for the CRT accelerating voltage directly with the output rectified by a simple rectifier. In more modern designs, the rectifier is replaced by a voltage multiplier. Color television sets must also use a regulator to control the high voltage. The earliest sets used a shunt vacuum tube regulator, but the introduction of solid state sets employed a simpler voltage dependent resistor. The rectified voltage is then used to supply the final anode of the cathode ray tube. There are often auxiliary windings that produce lower voltages for driving other parts of the television circuitry. The voltage used to bias the varactor diodes in modern tuners is often derived from the flyback transformer ("Line OutPut Transformer" LOPT). In tube sets, a one or two turn filament winding is located on the opposite side of the core as the HV secondary, used to drive the HV rectifier tube's heater.
Іс жүзіндегі ескертулер
Қазіргі заманғы дисплейлерде LOPT, кернеу көбейтуші және түзетуші көбінесе негізгі схема тақтасындағы бір құрылғыға біріктіріледі. Әдетте, электрондық сәуле түтігінің бүйірінде LOPT-ден анодтық терминалға (резеңке қақпақпен жабылған) қалың оқшауланған сым болады. Трансформаторды флайбек жиілігінде пайдаланудың бір артықшылығы – ол желілік жиілікте жұмыс істейтін ұқсас трансформаторға қарағанда әлдеқайда кішкентай және жеңіл болуы мүмкін. Тағы бір артықшылығы – ол қауіпсіздік механизмін қамтамасыз етеді. Егер көлденең бұрылу тізбегі бұзылса, флайбек трансформаторы жұмысын тоқтатып, дисплейдің қалған бөлігін өшіреді, бұл электрондық сәуле бір орында тұрғанда экранның күйіп кетуіне жол бермейді.
In modern displays, the LOPT, voltage multiplier, and rectifier are often integrated into a single package on the main circuit board. There is usually a thickly insulated wire from the LOPT to the anode terminal (covered by a rubber cap) on the side of the picture tube. One advantage of operating the transformer at the flyback frequency is that it can be much smaller and lighter than a comparable transformer operating at mains (line) frequency. Another advantage is that it provides a failsafe mechanism — should the horizontal deflection circuitry fail, the flyback transformer will cease operating and shut down the rest of the display, preventing the screen burn in that would otherwise result from a stationary electron beam.
Құрылыс
Біріншілік катушка алдымен феррит тағанға оралады, содан кейін екіншілік катушка біріншілік катушканың үстіне оралады. Бұл орналасу біріншілік катушканың шашыраңқы индуктивтігін азайтады. Соңында, феррит қаңқасы біріншілік/екіншілік жиынтығының айналасына оралып, магнит өрісінің сызықтарын жабады. Таған мен қаңқаның арасында ауа саңылауы бар, ол магниттік кедергіні арттырады. Екіншілік катушка эмальдалған сыммен қабат-қабат оралады, ал қабаттар арасында майлар пленкасы қолданылады. Осылайша, жоғары кернеуге ие сым бөліктеріне көбірек диэлектрлік материал тиесілі болады.
The primary is wound first around a ferrite rod, and then the secondary is wound around the primary. This arrangement minimizes the leakage inductance of the primary. Finally, a ferrite frame is wrapped around the primary/secondary assembly, closing the magnetic field lines. Between the rod and the frame is an air gap, which increases the reluctance. The secondary is wound layer by layer with enameled wire, and Mylar film between the layers. In this way, parts of the wire with a higher voltage have more dielectric material.
Қолданбалар
Flyback трансформаторы теледидарлар мен CRT компьютер мониторлары сияқты CRT дисплей құрылғыларында қолданылады. Кернеу және жиілік құрылғыға байланысты кең ауқымда өзгеруі мүмкін. Мысалы, үлкен түсті теледидардың CRT-сіне NTSC құрылғылары үшін 15,734 кГц, ал PAL құрылғылары үшін 15,625 кГц көлденең сканерлеу жылдамдығымен 20-ден 50 кВ дейін кернеу қажет болуы мүмкін. 50 немесе 60 герц айнымалы тоқ қолданатын қуат (немесе "желілік") трансформатордан өзгеше, flyback трансформаторы әдетте 15 кГц-ден 50 кГц-ға дейінгі жиіліктерде импульстік токпен жұмыс істейді.
The flyback transformer operates CRT display devices such as television sets and CRT computer monitors. The voltage and frequency can each range over a wide scale, depending on the device. For example, a large color TV CRT may require 20 to 50 kV with a horizontal scan rate of 15.734 kHz for NTSC devices and 15.625 kHz for PAL devices. Unlike a power (or "mains") transformer, which uses an alternating current of 50 or 60 hertz, a flyback transformer typically operates with switched currents at much higher frequencies in the range of 15 kHz to 50 kHz.