¿Por qué funcionan los osciladores de un solo transistor para alimentar un transformador, si un transformador necesita CA?

Los transistores pueden "generar CA", de hecho, con los filtros y la conmutación correctos, puede hacer que los transistores generen ondas sinusoidales (así es como funcionan la mayoría de los inversores de CC/CA).

En las fuentes de alimentación modernas de hoy en día, los transistores se encienden y apagan rápidamente para crear una corriente cambiante que puede pasar a través de los transformadores. Muchas fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) hacen esto para convertir CA/CC o viceversa.

Esto generalmente se hace con algún tipo de retroalimentación o bucle de control. El lazo de control excita el voltaje (como en el diagrama superior) o controla el voltaje a un cierto nivel (como cuando queremos 5V constantes de una fuente de alimentación de 5V). El transistor actúa como un amplificador para proporcionar retroalimentación positiva. En SMPS, se usa un lazo de control analógico o digital para proporcionar retroalimentación negativa.

Los transformadores no requieren CA para funcionar. Requieren una corriente cambiante. Esto puede ser una corriente continua cambiante tan fácilmente como una corriente alterna.

Sé que las bobinas de estado sólido de Tesla usan un par de transistores para crear una señal de CA para alimentar el primario, entonces, ¿cómo puede solo 1 transistor crear una señal de CA para alimentar el primario de un excitador asesino o un transformador flyback?

Si desea conducir de manera más eficiente una bobina de tesla, entonces usaría una disposición de transistores push-pull y "disco duro" los transistores como interruptores. Esto minimiza las pérdidas del transistor y hace una solución más eficiente en el consumo de energía. Sin embargo, debe tener cuidado con las fem de retorno "asesinas", pero esa es otra historia.

Si usó un solo transistor (como en su primer circuito), es probable que el transistor opere en la clase A y maneje señales que son más parecidas a las ondas sinusoidales. Debido a que el transistor opera en clase A, siempre habrá una corriente de colector permanente en el primario del transformador y el voltaje en el primario tendrá un valor promedio de cero porque subirá por encima del riel de alimentación tanto como caerá por debajo de la tensión de alimentación. carril.

Un ejemplo que tengo a mano es un oscilador Colpitts que usa un inductor en el colector pero, esto podría ser igualmente un transformador en el colector: -

Imágenes de esta sesión de preguntas y respuestas .

Como puede ver, Vout (trazo azul) se eleva igualmente por encima y por debajo del riel de 5 voltios, por lo tanto, el transistor permanece en la clase A y el voltaje promedio a través del inductor es prácticamente cero. Entonces, aunque el suministro es CC, el voltaje de entrada real a través del "primario" es CA prácticamente pura y, por supuesto, con cualquier inductor o transformador tiene que ser así para evitar la saturación.

¿Cómo puede solo 1 transistor crear una señal de CA para alimentar el primario?

Aquí están sucediendo dos cosas.

1. Si tiene una señal de "CA" además de una compensación constante de "CC":

La parte de CC constante irá directamente a través de la bobina del transformador y creará un campo magnético constante. Esto no induce ningún voltaje en el secundario. Todo lo que hace es saturar un poco el núcleo y aumentar las pérdidas.

Sin embargo, la parte de CA aún causará un campo magnético variable, lo que inducirá un voltaje en el secundario del transformador.

En otras palabras, los transformadores solo funcionan con CA, pero pueden ignorar cierta cantidad de corriente de compensación de CC en el primario. El núcleo del transformador todavía tiene un límite de campo máximo por encima del cual se saturará, y esto depende de la corriente instantánea, por lo que tener una corriente de CC además de su corriente de CA reduce la corriente de CA máxima que el transformador puede manejar antes de que su núcleo se sature.

2. es un transformador flyback

Cuando el transistor se enciende, la corriente aumenta en el primario. Dado que se trata de un transformador, provoca un aumento correspondiente de la tensión en el secundario, pero en un transformador flyback no se utiliza esta parte de la forma de onda del secundario. El voltaje aumenta, pero no entra corriente en la carga, generalmente porque hay un diodo rectificador en la salida.

Cuando el transistor se apaga, el primario está desconectado. Pero la energía magnética en el núcleo no ha desaparecido, lo que significa que la corriente tiene que encontrar un lugar por donde fluir. Si esto fuera solo un inductor, el voltaje aumentaría hasta que algo se rompiera y dejara pasar la corriente, por ejemplo, el transistor se precipitaría. Sin embargo, este no es un inductor, sino un transformador, tiene dos bobinas, por lo que el voltaje aumenta muy rápidamente tanto en el primario como en el secundario hasta que algo se rompe. En un transformador flyback, esto se usa para obtener alto voltaje en el secundario. La relación de transformación del transformador se elige de modo que la energía magnética almacenada en el núcleo se descargue a través de la bobina secundaria hacia la carga antes de que el transistor se desate. Una vez que la energía se descarga en la carga, el flujo magnético vuelve a cero y el ciclo puede reiniciarse.

Entonces, en un transformador flyback, tener una compensación de CC en su CA es una parte intencional del diseño, no crea problemas como lo haría en un transformador "normal". El objetivo es aumentar la corriente primaria para almacenar energía en el núcleo y luego volcarla en la carga a través del secundario.

Mientras el transistor permanezca encendido, la corriente y el flujo magnético seguirán aumentando. Por supuesto, esto no puede continuar para siempre, primero, las pérdidas de cobre están en i ^ 2, por lo que aumentan drásticamente con una corriente alta, segundo, con algún valor de flujo, el núcleo se saturará. Por lo tanto, el voltaje de entrada, el tiempo de encendido, las vueltas del devanado primario y el calibre de cobre y, por supuesto, el núcleo en sí, deben elegirse juntos para obtener la mejor eficiencia y el menor costo. Dado que un núcleo con un flujo de saturación más alto será más grande y más costoso, la corriente primaria máxima también influye en el costo.

Estos circuitos usan retroalimentación de CA positiva para oscilar al impulsar CC en CA para generar la salida de CA. La tercera bobina en el lado primario es un método confiable. Los otros métodos se basan en el retorno de la polaridad adecuada del acoplamiento magnético y parásito para crear una retroalimentación positiva con una ganancia >1.

La retroalimentación positiva de CC simplemente lo convierte en un pestillo. pero la retroalimentación positiva de CA con retraso y polaridad adecuada lo convierte en un oscilador.

agregado

Para hacer una gran bobina de Tesla, Tesla no usó ningún transistor. porque aún no se han inventado. (a diferencia de @Andyaka)

Entonces, ¿cómo maximizó dV?

Al minimizar dt en una inductancia pequeña y un voltaje de arco primario razonablemente alto para crear un devanado de transformador de segunda etapa de baja capacitancia con una relación de vueltas baja <100 pero un transformador de paso primario con la relación de aumento más alta posible para que la inductancia no afecte el resultado usando la mas pura 99.9% mejor aislamiento, Mica para acoplar el gatillo al segundo transformador y flyback los mayores arcos > 1 MV.

Es difícil de simular con la limitada memoria de trazas de 2kB de Falstad, ya que se produce un aliasing cuando el tiempo de subida es más rápido que la mitad de la frecuencia de muestreo y, sin embargo, se intenta ajustar el intervalo de arco repetido en una traza. Pero se ve algo como esto. Reduzca la velocidad de la simulación justo antes de que llegue a 10,0 kV, el umbral de activación del tubo de gas que elegí para activar el arco. Esto producirá > 120 kV. Todo es posible en teoría, pero la práctica tiene límites físicos de capacitancia entre devanados y relación L/R de un transformador primario de alta inductancia de 1kW (enorme).

resultado

V = L dI/dt a medida que dt llega a cero, obtiene el voltaje de arco más grande pero con L bajo para una capacitancia secundaria de etapa 2 de circuito abierto bajo a alguna frecuencia resonante. .= LdI/V usando un interruptor de brecha de arco con el tiempo de subida de arco dt más pequeño en xxx picosegundos.

Los arcos HV requerían una resistencia negativa rápida para colapsar el voltaje en picosegundos a nanosegundos para hacer que una bobina de retorno UHV generara un voltaje ultra alto a partir del cambio de corriente de seguimiento.

La densidad del arco determina qué tan bajo llega a ser el ESR y qué tan rápido se extingue el arco para determinar qué tan rápido es el resultado dI/dt. Entonces, al usar un espacio de arco de gas, obtiene tiempos de subida mucho más rápidos que tratando de forzar el apagado actual con la capacitancia del transistor.

En última instancia, es la capacitancia más baja y la Q de la resonancia RLC de la extinción del arco de gas lo que da como resultado la alta V. Pero junto con la Q alta hay un tiempo de aumento de la envolvente, por lo que el voltaje máximo no siempre está en el primer ciclo sino después del tiempo de aumento de envolvente a medida que la tapa de descarga primaria decae con una ESR negativa baja y la bobina Tesla DCR que afecta el resultado.

Mostrado con una resolución de muestreo de 1 ns, puede ver el aumento de la envolvente de salida con una relación L/R razonable de 32 uH/0,1 ohmios para alambre Litz en un núcleo de aire grande y usando una terminación de dona para reducir el gradiente de campo electrónico.

Ahora 175kV

No intentes esto en casa.

Sus 3 versiones tienen diferentes principios de funcionamiento. También el transformador se usa de manera diferente. El primer y segundo circuito usan el transformador tanto para aumentar el voltaje como para generar retroalimentación en el oscilador. Ambos circuitos utilizan un principio de oscilador de pulso en el que el transistor conduce al principio, pero se cierra repentinamente al estado no conductor (= sin Ic). La conducción comienza de nuevo muy pronto. Qué tan pronto, eso depende de muchas cosas, incluso afectan las capacitancias parásitas. Se pueden obtener frecuencias operativas bien predecibles (más bajas) insertando un circuito constante de tiempo RC explícito en lugar de depender de capacitancias parásitas.

Pero la idea esencial para obtener voltajes altos en los circuitos 1 y 2 es cargar energía magnética a la bobina con corriente continua creciente a través del primario. La retroalimentación del oscilador es solo una función secundaria. Cuando la corriente primaria se detiene repentinamente, se genera un pulso de retroceso inductivo. Es un campo eléctrico circular alrededor del núcleo del transformador y tan fuerte que al menos uno de los devanados empuja la corriente hacia alguna parte. El voltaje simplemente salta tan alto como sea necesario para permitir la disminución gradual del campo magnético. El cambio gradual del campo magnético es tan imposible como detener inmediatamente una masa en movimiento desde la velocidad máxima hasta cero. No pasa, cada frenado permite más o menos movimiento porque no existen fuerzas infinitas. Lea este caso antiguo como referencia:https://electronics.stackexchange.com/questions/282053/how-does-the-inductor-really-induce-voltage?r=SearchResults&s=1|63.8725

Con suerte, el transistor permanece no conductor al menos mientras sea necesario para disipar toda la energía magnética almacenada en el transformador. De lo contrario, la corriente se acumula gradualmente y hay un cortocircuito.

la versión 2 difiere de la versión 1 en un área importante. En ver. 2 el transformador está débilmente acoplado. El secundario bien puede funcionar como circuito resonante (C = la capacitancia parásita) y oscilar algún tiempo después del retroceso inductivo. Esa es la misma idea que en la bobina de Tesla.

El tercer circuito es diferente. Su transformador de salida también está débilmente acoplado y suena sustancialmente después de cada pulso de entrada. Los mosfets alimentan pulsos de polaridad alterna (=AC) al primario. El primario no se usa para generar contragolpes inductivos, el transformador aumenta el voltaje más como un transformador normal. Pero el timbre debido a la resonancia es esencial para lograr el mismo contenido de alta frecuencia que la versión 2.

Un solo transistor de accionamiento directo de un transformador con pulsos de CC. Los pulsos de CC también funcionan si hay un circuito de retorno auxiliar o de "reinicio de CC" que devuelve la energía magnética del transformador a la fuente de alimentación y, por lo tanto, evita que la corriente de CC se acumule y desarrolle un cortocircuito.

La mayoría de las fuentes de alimentación de varios cientos de vatios que he visto en las PC utilizan este principio que alimenta el primario con pulsos de CC. La salida en el secundario está en uso al mismo tiempo que conduce el transistor en el circuito primario. La siguiente imagen de Wikipedia presenta el principio:

El devanado auxiliar devuelve el pulso de retroceso inductivo al suministro de entrada de CC a través de D3.

Para obtener más ejemplos, busque "convertidores directos de CC a CC". En los convertidores flyback, la salida recibe un nuevo pulso cuando el interruptor del circuito primario deja de conducir. En los convertidores directos, la salida recibe un nuevo pulso cuando el interruptor del circuito primario está en ON. Apagar el interruptor genera un pulso que se devuelve a la fuente de voltaje de CC de entrada.

¿Cómo puede solo 1 transistor crear una señal de CA para alimentar el primario de un excitador Slayer o un transformador flyback?

Es una señal de CA + una polarización de CC. Un transformador puede tener cierta polarización de CC sin afectar su salida, siempre que el núcleo no se sature.