Импульсный повышающий трансформатор обратной связи для ЭЛТ

Введение

Высокочастотный импульсный трансформатор, обычно используемый для управления электронно-лучевыми трубками.

Импульсный трансформатор обратной связи (FBT), также называемый строчным трансформатором (LOPT), – это особый тип электрического трансформатора. Изначально он был разработан для генерации высокочастотных пилообразных импульсов высокого напряжения. В современных применениях он широко используется в импульсных источниках питания как для низковольтных (3 В), так и для высоковольтных (более 10 кВ) цепей.

История

Контур трансформатора обратного хода был изобретен как средство управления горизонтальным отклонением электронного луча в кинескопе (CRT). В отличие от обычных трансформаторов, трансформатор обратного хода не питается сигналом той же формы, что и предполагаемый выходной ток. Удобным побочным эффектом такого трансформатора является значительное количество энергии, накапливаемое в его магнитной цепи. Это можно использовать, добавляя дополнительные обмотки для питания других частей оборудования. В частности, очень высокие напряжения легко получить, используя относительно небольшое число витков, которые после выпрямления могут обеспечить высокое ускоряющее напряжение для кинескопа. Многие современные применения такого трансформатора не требуют получения высоких напряжений и используют устройство как относительно эффективный способ получения широкого диапазона более низких напряжений с помощью трансформатора, значительно меньшего по размеру, чем обычный сетевой трансформатор.

Работа и использование

Первичная обмотка трансформатора обратной связи управляется ключом от источника постоянного тока (обычно транзистора). При включении ключа первичная индуктивность вызывает нарастание тока по форме рампы. Интегральный диод, включенный последовательно со вторичной обмоткой, предотвращает возникновение вторичного тока, который в конечном итоге будет противодействовать нарастанию первичного тока. При выключении ключа ток в первичной обмотке падает до нуля. Энергия, запасенная в магнитном сердечнике, передается на вторичную обмотку при схлопывании магнитного поля в сердечнике. Напряжение на выходной обмотке очень быстро возрастает (обычно менее микросекунды), пока условия нагрузки не ограничат его. Как только напряжение достигает уровня, достаточного для протекания вторичного тока, поток заряда приобретает форму нисходящей рампы. Затем цикл может быть повторен. Если вторичный ток допускается падать полностью до нуля (энергия в сердечнике отсутствует), то говорят, что трансформатор работает в прерывистом режиме. Если вторичный ток всегда отличен от нуля (в сердечнике всегда запасена энергия), то это непрерывный режим. Эта терминология особенно распространена в силовых трансформаторах. Выходная обмотка низкого напряжения отражает пилообразную форму первичного тока и, например, для телевизионных целей, имеет меньше витков, чем первичная, обеспечивая тем самым больший ток. Это импульсная волна, повторяющаяся с горизонтальной (строчной) частотой дисплея. Обратный ход (вертикальная часть пилообразной волны) может представлять потенциальную проблему для трансформатора обратной связи, если энергия не имеет выхода: чем быстрее схлопывается магнитное поле, тем выше индуцированное напряжение, которое, если не контролируется, может вызвать пробой между выводами трансформатора. Используемая высокая частота позволяет использовать значительно меньший трансформатор. В телевизорах эта частота составляет около 15 килогерц (15,625 кГц для PAL, 15,734 кГц для NTSC), и вибрации сердечника трансформатора, вызванные магнитострикцией, часто можно услышать как высокочастотный писк. В компьютерных мониторах на ЭЛТ частота может варьироваться в широком диапазоне от 30 кГц до 150 кГц. Трансформатор может быть оснащен дополнительными обмотками, единственная цель которых – индуцировать относительно большой импульс напряжения при схлопывании магнитного поля при выключении входного ключа. В магнитном поле запасено значительное количество энергии, и отвод ее через дополнительные обмотки способствует быстрому схлопыванию и предотвращает пробой напряжения, который мог бы произойти в противном случае. Импульсный сигнал с обмоток трансформатора обратной связи преобразуется в постоянный ток простым однополупериодным выпрямителем. Использовать полноволновой выпрямитель нецелесообразно, поскольку отсутствуют соответствующие импульсы противоположной полярности. Один виток обмотки часто генерирует импульсы напряжением в несколько вольт. В старых телевизионных конструкциях трансформатор непосредственно вырабатывал необходимое высокое напряжение для ускоряющего напряжения ЭЛТ, с выходом, выпрямленным простым выпрямителем. В более современных конструкциях выпрямитель заменен умножителем напряжения. Цветные телевизоры также должны использовать регулятор для стабилизации высокого напряжения. В первых моделях использовался шунтирующий вакуумный регулятор, но с появлением твердотельных устройств стал применяться более простой резистор, зависящий от напряжения. Выпрямленное напряжение затем используется для питания конечного анода кинескопа. Часто используются вспомогательные обмотки, которые генерируют более низкие напряжения для питания других частей телевизионной схемы. Напряжение, используемое для смещения варикапов в современных тюнерах, часто берется от трансформатора обратной связи ("Линейный выходной трансформатор" LOPT). В ламповых телевизорах обмотка нити накала из одного или двух витков расположена на противоположной стороне сердечника от вторичной обмотки высокого напряжения и используется для питания нагревателя выпрямительной лампы высокого напряжения.

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.

Практические соображения

В современных дисплеях импульсный повышающий трансформатор (LOPT), умножитель напряжения и выпрямитель часто объединяются в единый модуль на основной плате. Обычно от импульсного повышающего трансформатора к анодному выводу (защищенному резиновым колпачком) на стороне кинескопа идет толстоизолированный провод. Одним из преимуществ работы трансформатора на частоте обратного хода является то, что он может быть значительно меньше и легче, чем трансформатор аналогичной мощности, работающий на частоте сети. Другое преимущество заключается в наличии встроенной защиты: в случае отказа схемы горизонтального разворота, импульсный повышающий трансформатор прекратит работу и отключит дисплей, предотвращая выгорание экрана, которое могло бы возникнуть из-за неподвижного электронного луча.

Строительство

Первичная обмотка наматывается сначала на ферритовый стержень, а затем вторичная обмотка наматывается поверх первичной. Такая конструкция минимизирует индуктивность рассеяния первичной обмотки. В завершение ферритовая рамка оборачивается вокруг собранной первичной и вторичной обмоток, замыкая линии магнитного потока. Между стержнем и рамкой имеется воздушный зазор, который увеличивает магнитное сопротивление. Вторичная обмотка наматывается слой за слоем эмалированным проводом, с прокладкой между слоями плёнки Майлар. Таким образом, участки провода с более высоким напряжением имеют больше диэлектрического материала.

Приложения

Flyback-трансформатор используется в устройствах с ЭЛТ-дисплеем, таких как телевизоры и компьютерные мониторы с ЭЛТ. Напряжение и частота могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от устройства. Например, для большой цветной ЭЛТ-трубки телевизора может потребоваться напряжение от 20 до 50 кВ с частотой горизонтального сканирования 15,734 кГц для устройств NTSC и 15,625 кГц для устройств PAL. В отличие от силового (или "сетевого") трансформатора, который работает от переменного тока частотой 50 или 60 Гц, flyback-трансформатор обычно работает с импульсными токами на гораздо более высоких частотах, в диапазоне от 15 кГц до 50 кГц.