Royer oscillator
En Royer-oscillator är en elektronisk avslappningsoscillator som använder en transformator med mättbar kärna i huvudströmvägen. Det uppfanns och patenterades i april 1954 av Richard L. Bright & George H. Royer, som är listade som meduppfinnare på patentet. Det har fördelarna med enkelhet, lågt antal komponenter, rektangulära vågformer och transformatorisolering . Förutom att den är en växelriktare kan den användas som en galvaniskt isolerad DC-DC-omvandlare när transformatorns utgångslindning är ansluten till ett lämpligt likriktarsteg, i vilket fall den resulterande apparaten brukar kallas en "Royer Converter".
Den har några nackdelar, de mest anmärkningsvärda är att dess utspänning (både amplitud och frekvens därav) är starkt beroende av inspänningen, och detta kan inte övervinnas utan betydande förändringar av den ursprungliga designen som patenterad av Royer. Den andra nackdelen är att effektförlusten i transformatorn kan vara mycket betydande eftersom den måste arbeta med sin maximala (mättande) magnetiska flödestäthet vid designfrekvensen. Därför är transformatorn en kritisk komponent i Royer-växelriktaren som har en inverkan på (a) dess funktion (amplituden och frekvensen på utspänningen) och (b) hur väl den utför den funktionen (övergripande effektivitet).
Beskrivning
Royers oscillatorkrets består av en transformator med mättbar kärna med en centrumuttagen primärlindning , en återkopplingslindning och (valfritt) en sekundärlindning . De två halvorna av primärenheten drivs av två transistorer i push-pull- konfiguration. Återkopplingslindningen kopplar en liten del av transformatoreffekten tillbaka till transistorbaserna för att ge positiv återkoppling och genererar därigenom oscillation. Svängningsfrekvensen bestäms av den maximala magnetiska flödestätheten, strömförsörjningsspänningen och primärlindningens induktans .
Den grundläggande Royer genererar fyrkantvågsutgångsspänning , vilket kan vara en fördel för vissa applikationer. Denna fyrkantvågsutgångsspänning kan omvandlas till konstant spänning (DC) genom att passera den genom ett lämpligt likriktarsteg (vanligtvis en diodhelvågsbrygga följt av en filterdrossel och utjämningskondensator).
Denna krets förlitar sig enbart på magnetisk kärnmättnad för att orsaka växling mellan de två tillstånden, vilket har tre (3) viktiga konsekvenser:-
För det första är effektförlusten i kärnan på grund av hysteresförlust hög, vilket minskar effektomvandlingseffektiviteten. Effektförlust i magnetiska material är proportionell mot den maximala flödestätheten upphöjd till en potens av mellan 2 och 3, och frekvensen upphöjd till en potens av mellan 1 och 2, se Steinmetz ekvation .
För det andra finns det en övre gräns för driftfrekvensen. Detta gör att praktiska Royer-omvandlare blir större och tyngre än mer moderna exempel på switch-mode strömförsörjningar med liknande effektklasser som arbetar vid mycket högre frekvenser.
För det tredje begränsar detta valet av lämpligt kärnmaterial, här är en lista över några vanliga material (observera effektförlustdensiteten):
| Kärnmaterial | Mättnadsflödestäthet / G | Kärnförluster W/cm 3 vid 50 kHz |
|---|---|---|
| Toshiba MB | 6000 | 0,49 |
| Metglas2714A | 6000 | 0,62 |
| Square Permalloy 80 (0,5 mil) | 7800 | 0,98 |
| Square Permalloy 80 (1 mil) | 7800 | 4.2 |
| Ferrit typ 84 | 4000 | 4 |
Ansökningar
Den klassiska Royer-oscillatorkretsen används i vissa DC–AC-växelriktare där fyrkantsvågsutgången är acceptabel för belastningen. DC-DC-omvandlarformen (Royer Converter) var ganska populär på 1970-talet, under vilken tid den vanligtvis implementerades med bipolära transistorer. På grund av de ovan nämnda nackdelarna är dock effektnivåerna vanligtvis begränsade till under några hundra watt.
Varianter & förbättringar
Jensen Oscillator/Omvandlare
Genom att använda en separat mättande magnetisk kärna för att endast tillhandahålla styrsignalerna till omkopplingstransistorerna, behöver huvudtransistorn inte längre mättas och därför kan dess effektförluster reduceras avsevärt. Eftersom den extra transformatorn är mycket mindre än huvudtransformatorn, resulterar dess effektförlust på grund av drift till mättnad i mycket lägre effektförluster än vad som skulle inträffa om huvudtransformatorn kördes till mättnad. Detta resulterar i en betydande förbättring av omvandlarens totala effektivitet och tillåter implementering av DC-AC-växelriktare och DC-DC-omvandlare med mycket högre effekt. Dessutom är konstruktören nu fri att välja eller designa huvudtransformatorn från ett mycket bredare utbud av lämpliga komponenter och material. Denna förbättring patenterades första gången av Jensen 1955, bara 16 månader efter att Royer lämnade in sitt patent den 6 april 1954. (Se US patent nr 2774878, inlämnat 29 augusti 1955).
Current-Fed Royer/Jensen Converter
En nackdel med den ursprungliga Royer-oscillatorn är att spänningen på switchtransistorerna är hög under omkopplingstiden (detta är tiden då transistoromkopplaren ändrar tillstånd från antingen (a) OFF till ON, eller (b) ON till Off ). Under denna tid upplever transistorerna både hög spänning och hög ström samtidigt, vilket orsakar hög momentan effektförlust inuti transistorn. Denna nackdel lindras genom att sätta in en induktor mellan strömförsörjningen och transformatorns mittuttag. Denna induktor tillåter mittuttagsspänningen att sjunka under de tidigare nämnda omkopplingstiderna samtidigt som ingångsströmmen hålls relativt konstant (därav namnet "strömmatad"), vilket gör att spänningen över varje transistor blir låg medan strömmen överförs från en transistor till en annan, vilket i hög grad minskar transistorns momentana effektförlust. Denna förbättrade version kallas den strömmatade Royer-oscillatorn i vissa böcker.
I de flesta exemplen på denna förbättring väljer denna designer medvetet induktansvärdet för denna induktor (enheter av Henry, https://en.wikipedia.org/wiki/Henry_(unit)) för att vara tillräckligt stor så att strömmen som flyter i denna induktorn är relativt konstant; typiskt kommer strömmen att ha en liten rippelkomponent, säg en topp-till-topp rippel på mindre än 30 % av medelvärdet. I sådana fall kallas denna induktor för "DC-choke" eller bara "choke", se Choke (elektronik) .
Denna förbättring kan även tillämpas på Jensen-omvandlaren som nämnts ovan.
Reglerad strömmatad Royer/Jensen-omvandlare
En ytterligare förfining är tillägget av en nedstegsomvandlare mellan inspänningskällan och choken (induktorn). Denna nedstegsomvandlare kan användas för att reglera strömmen som flyter i choken, så att utspänningen kan styras. Denna förfining kan givetvis appliceras lika effektivt på både den ursprungliga Royer- och Jensen-varianten. Ett tidigt exempel på detta kan hittas i det amerikanska patentet av Jones, inlämnat 05-sep-1980, US 4,344,122.
Senare utvecklingar
Tekniken går alltid framåt, och utvecklingen av självsvängande kretsar är inte annorlunda i detta avseende. År 1959, bara några år efter att Royer-oscillatorn patenterades och publicerades, uppfanns en ny oscillator som vanligtvis kallas "Baxandall-omvandlaren/omvandlaren" eftersom den patenterades av Peter James Baxandall (se Peter Baxandall ), (se Peter Baxandall ) . GB patent 959 550, inlämnat 13 mars 1959), och publicerades ursprungligen av honom i en konferensartikel från 1959 som tydligt beskriver dess funktion. Även om Baxandall-växelriktaren/omvandlaren verkligen förtjänar en egen Wikipedia-artikel, nämns den här kort eftersom den ibland kallas för en "resonant Royer"; Men som det följande kommer att visa är detta en felaktig benämning eftersom dess funktionsprincip är helt annorlunda än den ursprungliga Royers.
Sinewave Oscillator (Baxandall, aka "Resonant Royer" vs Original Royer)
Det finns en annan självoscillerande inverter/omvandlardesign känd som "Baxandall-omvandlaren" (ibland felaktigt kallad "resonant Royer") som genererar en sinusvågsutgångsspänning snarare än en fyrkantvågsspänning, som också används för DC-DC-konvertering när den är ansluten till ett lämpligt likriktarsteg. Detta beskrevs första gången 1959 av Peter James Baxandall [1] (se GB patent 959 550, inlämnat 13 mars 1959). Det finns tre stora skillnader mellan Royer Oscillator och Baxandall Oscillator, dessa skillnader förklaras nedan, i samband med deras tillämpning på området för effektomvandling (DC-AC [2] eller DC-DC [3] ).
Först kopplas en drossel (induktor) i serie med matningsspänningen till transformatorns primäruttag. Detta gör Baxandall-växelriktaren strömmatad, enligt de strömmatade varianterna av Royer som nämns ovan.
För det andra bildas en resonanstankkrets genom att lägga till en kondensator parallellt med transformatorn, antingen på primärsidan över kopplingstransistorerna, eller på sekundärsidan över utgångslindningen, eller en kombination av båda. Denna förändring innebär att Baxandalls utspänning är en sinusvåg (se sinusvåg ), medan den klassiska Royer-kretsens utspänning är en fyrkantvåg (se fyrkantvåg ).
Slutligen är den tredje stora skillnaden att transformatorn inte, eller bör, mättas. Växling mellan de två transistorerna åstadkoms helt enkelt genom den naturliga resonansen som uppstår mellan en induktor och en kondensator, och INTE genom mättnad av en magnetisk komponent. Detta är den grundläggande skillnaden mellan dessa två oscillatorer: Royer självsvänger på grund av mättnaden av en magnetisk komponent (se Saturation (magnetisk) ), medan Baxadall självsvänger på grund av LC-resonans (referer resonans ).
Drift
När en transistor är på är dess kollektorspänning nära noll och den riktar strömmen från ingångsdrosseln till en av primärlindningarna. Samtidigt är den andra transistorn AV, dess ström är noll medan dess spänning är en halvsinus (topp = Vin * PI). Transistorerna riktar inströmmen in i var och en av transformatorns primärlindningar växelvis i tur och ordning. De motsatta strömmarna i primärlindningarna balanserar alltid men hela primären "ser" hela sinusvågen. På detta sätt kan en sinusvåg genereras samtidigt som transistorerna kan slås på och stängas av växelvis i push-pull-läge. Detta är den enda likheten med Royer-omvandlaren.
Spänningen på transformatorns centrumuttagsnod svänger upp och ner när induktorn motverkar strömändring. Som ett resultat av detta ser vågformen ut ungefär som utsignalen från en helvågslikriktare (se Rectifier ). DC-matningsspänningen är lika med genomsnittet, så uttaget toppar på ungefär (pi/2)*Vcc. Eftersom transformatorn fungerar som en 2:1 autotransformator på primären, når "off" transistorkollektorspänningen dubbelt eller pi gånger Vcc.
Ansökningar
En krets som använder en liknande idé förekommer i ett patent från 1973 för en DC-DC-omvandlare tilldelad Bell Telephone Laboratories som, intressant nog, använder både resonans och magnetisk mättnad.
En krets av denna typ användes för att driva katodstråleröret i Tektronix 547-oscilloskopet .
En annan tillämpning av Baxandall-omvandlaren är att driva kallkatodlysrör ( CCFLs ), se CCFL-växelriktare . CCFLs uppvisar försämring i sin ström-till-ljusuteffekt i närvaro av övertoner , så det är bättre att driva dem med en sinusvåg än en fyrkantsvåg. För att tillhandahålla ljusintensitetsjustering driver en integrerad krets typiskt en pulsbreddsmodulerad signal i grinden på en ytterligare transistor, som bildar en nedtrappande ("buck")-omvandlare med matningsdrosseln. Andra integrerade kretsar styr också de två oscillatortransistorerna och känner av nolldalen i transformatorns mittuttag för att göra detta.
Baxandall-omvandlaren har nyligen använts för att driva lysrör från lågspänningskällor, ofta med laddningsbara batterier, för nödbelysning och camping etc. Även i sin tidning från 1959 beskrev Baxandall en spänningsomkopplad variant av sinusvågoscillatorn. Denna variant verkar ha varit föregångaren till de flesta tvåtransistordrivrutiner för kompaktlysrör (CFL) som nyligen har utökats till att driva lågspännings-LED-lampor.
Namnförvirring: "Baxandall" vs "Resonant Royer"
Den ursprungliga Royer-oscillatorn/växelriktaren är ett exempel på en "självsvängande krets" eftersom dess driftfrekvens enbart bestäms av den externa strömkällan (ingångslikspänningen) och åtminstone en av huvudströmkomponenterna som bearbetar hela ström som passerar genom apparaten, se not 1 nedan. Det finns andra exempel på självoscillerande växelriktare (och omvandlare) som ibland kallas "Royer" (eller varianter därav), trots att de fungerar enligt helt andra principer. Baxandall Oscillator är ett anmärkningsvärt exempel, eftersom den ibland kallas en "resonant Royer", eller "självresonant Royer", eller "LC Royer", men dess funktion har ingenting att göra med magnetisk mättnad som Royer förlitar sig på , fungerar den enligt principen om den naturliga resonansen av elektrisk energi som uppstår mellan induktorer och kondensatorer som arbetar i deras icke-mättande tillstånd. Magnetisk mättnad är vanligtvis mycket oönskad i en Baxandall-oscillator, och i själva verket är det något som designers av de flesta kraftomvandlingsutrustningar är mycket noga med att undvika. Det faktum att den ursprungliga Royer använder magnetisk mättnad av sin huvudsakliga krafttransformatorkärna som sin huvudsakliga funktionsprincip gör den ganska unik bland det breda utbudet av kretsar som har använts inom området effektomvandling under de senaste decennierna; så dess namn bör inte vårdslöst appliceras på andra effektomvandlingskretsar som inte förlitar sig på samma princip.
Tyvärr har denna namnförvirring blivit utbredd i den moderna litteraturen (till exempel i datablad ), och är ett av ämnena för detta utbyte mellan två högt respekterade utövare av konsten att designa kretsar.
Royer-oscillatorn var ett av de tidiga exemplen på självsvängande kretsar som blev allmänt använd och populär, så det är kanske förståeligt att namnet "Royer" applicerades på andra självsvängande kretsar under de följande decennierna. Dessutom är ordet "Royer" eller "Royer-klass" bekvämare än att skriva "självsvängande inverter/omvandlarkrets baserad på magnetisk mättnad av huvudströmtransformatorn". Vi bör dock undvika att använda namnet "Royer" felaktigt eftersom det bara kan skapa förvirring. Det är nu långt över 50 år sedan dessa kretsar först uppfanns, så namnet "Royer" bör endast tillämpas på de kretsar som strikt följer konceptet i det ursprungliga patentet.
Det första namnet som förekommer på det ursprungliga patentet för Royer-oscillatorn är Richard L. Bright och Royers namn förekommer på andra plats, men Royer-oscillatorn kallas sällan för "Bright-oscillatorn". Som jämförelse förekommer namnet "Baxandall" som förnamn - faktiskt det enda namnet - på både patentet och den första publikationen.
Anmärkning 1: Jämför detta med effektomvandlarkretsar som inte är "självsvängande", där driftfrekvensen är oberoende av huvudströmkomponenterna och vanligtvis bestäms av en extra styrkrets som inte är involverad i någon effektöverföring mellan huvudströmportar i apparaten, t.ex.: ett kontrollchip.
Vidare läsning
- Abraham Pressman; Keith Billings; Taylor Morey (2009). Switching Power Supply Design, 3rd Ed . McGraw Hill Professional. s. 266–278. ISBN 978-0-07-159432-5 . Har en detaljerad analys av FET- versionen av den (klassiska) Royer-oscillatorn.
- Johnson I. Agbinya, red. (2012). Trådlös kraftöverföring . River Publishers. s. 187–193. ISBN 978-87-92329-23-3 . Innehåller en analytisk härledning av formlerna för Baxandall ("resonant Royer")-kretsen och en jämförelse med data mätt från en faktisk krets (med hjälp av MOSFETs).
- Royer, GH (1955). "En växlingstransistor DC till AC-omvandlare med en utgångsfrekvens som är proportionell mot DC-ingångsspänningen". Transaktioner från American Institute of Electrical Engineers, Del I: Kommunikation och elektronik . 74 (3): 322–326. doi : 10.1109/TCE.1955.6372293 . S2CID 51650425 . . En tidning från 1955 av Royer om hans krets.
- George Henry (2000), " LX1686 Direct Drive CCFL Inverter Design ". Microsemi Application Note AN-13. Innehåller en kritik av Baxandall ("resonant Royer") som används i CCFL-applikationer (och föreslår en annan inverterdesign).