Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Przetwornice indukcyjne cz.27 - Jak działa generator samodławny i jak zmodyfikować przetwornicę Royera?

W poprzednim odcinku omawialiśmy prehistoryczną przetwornicę Royera. Jej zaletą jest prosty schemat, jednak jej działanie i parametry, w tym sprawność, silnie zależą od właściwości elementów składowych, w szczególności transformatora. Projektowanie takich przetwornic o dobrych parametrach wymaga doświadczenia.
Article Image

Nie warto byłoby się tym zajmować, gdyby nie dwa fakty. Po pierwsze nadal wykorzystywane są proste przetwornice o podobnej zasadzie działania, bazującej na nasycaniu rdzenia. Po drugie, zaskakująco często mamy do czynienia z układami, nazywanymi przetwornicami Royera, które jednak działają na zupełnie innej zasadzie. Dlatego musimy dokładniej zgłębić tajemnice „rojera”

Dziś w Internecie jest stosunkowo niewiele materiałów na temat klasycznych generatorów/przetwornic Royera. W angielskojęzycznej Wikipedii jest krótki, mało precyzyjny, wprowadzający zamieszanie artykulik: https://en.wikipedia.org/wiki/Royer_oscillator Skopiowaną stamtąd treść, bez żadnych modyfikacji, można znaleźć w bardzo wielu miejscach w Internecie, jednak materiał ten niewiele wyjaśnia, a wręcz może wprowadzać w błąd.

To samo hasło można znaleźć tylko w rosyjskiej Wikipedii (Мультивибратор Ройера), gdzie też informacje są niepełne, a jeden z odnośników kieruje na stronę: https://studopedia.su/4_4492_multivibrator-i-preobrazovatel-royera.html, gdzie można znaleźć schemat z tranzystorami PNP pokazany na rysunku 1, z dodatkowymi rezystorami (15...150Ω) i kondensatorami (510...5100pF), poprawiającymi kształt przebiegu.

Rys.1 Schemat przetwornicy Royera z tranzystorami PNP

Można się domyślać, że schemat pochodzi z bardzo starych źródeł i dotyczy tranzystorów germanowych. Współczesny elektronik wie, że tranzystory krzemowe zaczynają się otwierać dopiero przy napięciu UBE rzędu 550mV, a ich prądy zerowe są znikome, co przekreśla omawiane rozwiązania. Warto więc dodać, że już w cytowanej na samym początku pracy Royera zamieszczony był drugi schemat, gdzie widać dodatkową baterię do polaryzacji baz. Także w patencie zgłoszonym w roku 1954 (gdzie notabene nazwisko Royer występuje na drugim miejscu) można znaleźć szereg schematów – wersji, w tym pokazaną na rysunku 2 z rezystorem polaryzującym.

Rys.2 Schemat przetwornicy Royera z rezystorem polaryzującym

W angielskojęzycznej Wikipedii na wspomnianej stronie można znaleźć schemat przetwornicy Royera, pokazany na rysunku 3, gdzie pomocnicze uzwojenie w obwodach baz jest pojedyncze, a za to występują dwa rezystory polaryzujące, wstępnie otwierające oba tranzystory. W Internecie można też znaleźć szereg innych wersji układu Royera, na przykład z diodą w obwodzie polaryzacji baz. Takie schematy z odmiennymi obwodami polaryzacji budzą wiele pytań odnośnie do warunków pracy i przepływu prądów baz tranzystorów. Przykład pokazany jest na rysunku 4, ale w szczegóły nie będziemy się wgłębiać.

Rys.3 Schemat przetwornicy Royera z angielskojęzycznej Wikipedii
Rys.4 Kolejny przykład przetwornicy Royera

Wspomnijmy jednak o pewnych pokrewnych rozwiązaniach przetwornic, z którymi nadal mamy do czynienia, a które u współczesnych młodych elektroników budzą duże wątpliwości i niepewność co do ich działania.

Jak działa generator samodławny?

Na podobnej, a wręcz takiej samej zasadzie nasycania rdzenia, oprócz dwutranzystorowego generatora Royera, działa znacznie prostszy, tak zwany generator samodławny, w literaturze angielskojęzycznej nazywany blocking oscillator. Przykład, a raczej wczesna idea z patentu pochodzącego z lat 30. pokazana jest na rysunku 5.

Rys.5 Generator samodławny - schemat

Także i tu podstawą działania jest nasycanie rdzenia odpowiednio dobranego transformatora. Jednak w przeciwieństwie do generatora Royera (a tym bardziej bardzo podobnego generatora Meissnera, będącego źródłem przebiegów sinusoidalnych), generator z rysunku 5 wytwarza przebieg niesymetryczny: ani prostokątny, ani sinusoidalny. Generatory takie były kiedyś wykorzystywane, między innymi w... odbiornikach telewizyjnych, ale nie jako przetwornice, tylko zwykle w układzie podstawy czasu i odchylania, gdzie służyły do wytwarzanie przebiegu... piłokształtnego.

Co jednak ważniejsze, dziś nadal ta idea jest wykorzystywana w bodaj najprostszych przetwornicach podwyższających, nazywanych joule thief (złodziej dżuli). Schemat pokazany jest na rysunku 6. Układ zasilany jest niskim napięciem rzędu 1...1,5V, niższym od napięcia przewodzenia diody LED (ale wyższym od napięcia otwierania tranzystora UBE). Dioda, wymagająca napięcia co najmniej 3V, jednak świeci.

Rys.6 Przetwornica podwyższająca

Większość współczesnych młodych elektroników, nie rozumiejąc zasady działania, z niedowierzaniem podchodzi do tak prymitywnych układów.

Tymczasem działanie jest proste: jest to jakby połowa przetwornicy Royera. Można założyć, że po włączeniu tranzystor zostaje (częściowo) otwarty, w związku z obecnością rezystora polaryzującego bazę. Tu też przy odpowiednim dołączeniu uzwojeń występuje silne dodatnie sprzężenie zwrotne, które powoduje nasycenie tranzystora (nie rdzenia). Przez tranzystor zaczyna płynąć rosnący liniowo prąd.

W tym przypadku nie mamy do czynienia z odmianą przetwornicy forward (przepustowej), tylko flyback (zaporowej), bo w tej pierwszej fazie cyklu prąd obciążenia nie płynie. Rosnący liniowo prąd powoduje gromadzenie energii w transformatorze (dwuuzwojeniowej cewce), a po pewnym czasie prąd ten narasta do wartości powodującej nasycenie rdzenia. Indukcyjność się zmniejsza. Zmniejsza się dodatnie sprzężenie zwrotne i tranzystor przestaje być głęboko nasycony. Zaczyna się zatykać.

Gdy tranzystor się zatyka, uniemożliwia nie tylko dalszy wzrost prądu transformatora, ale powoduje zmniejszanie prądu uzwojenia głównego, a to odwraca biegunowość napięć na uzwojeniach. W szczególności na uzwojeniu głównym pojawia się przepięcie o takiej wartości, żeby możliwy był dalszy przepływ prądu tego uzwojenia przez diodę LED, która zaczyna świecić pod wpływem takich impulsów.

Przepływ prądu przez diodę LED rozładowuje energię zgromadzoną w transformatorze, a gdy się ona wyczerpie, zgodnie z zasadą działania cewki „odwrotne” napięcie zanika i dzięki obecności rezystora zaczyna się nowy cykl pracy.

A teraz wracamy do układu Royera.

Modyfikacje generatora Royera

Z uwagi na prostotę budowy (i wady lub brak lepszych rozwiązań) przed laty układ Royera cieszył się znaczną popularnością.

Jednak już dziesiątki lat temu zaproponowano szereg modyfikacji układu Royera. Najważniejszą wadą podstawowej wersji układu jest to, że pod koniec każdej połówki cyklu prąd gwałtownie rośnie (wskutek nasycenia rdzenia), co było zasygnalizowane w poprzednim odcinku na rysunku 5.

W nocie aplikacyjnej Linear Technology AN-55 Jim Wiliams przedstawił obszerne informacje na temat przetwornic do świetlówek CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamps), do niedawna powszechnie wykorzystywanych do podświetlania ekranu w telewizorach LCD. Na końcu, w dodatku I wspomniał o klasycznym generatorze Royera, zamieścił schemat i przebiegi, pokazane na rysunku 7.

Rys.7 Klasyczny generator Royera - schemat i przebiegi

Dwa górne przebiegi to napięcia na kolektorach, dwa następne to przebiegi na bazach, a przebieg E (5A/dz) to przebieg prądu z wyraźnie widocznymi „pikami” na końcu każdej połówki cyklu.

Zależnie od właściwości transformatora (rezystancji uzwojeń, kształtu charakterystyki magnesowania) oraz od parametrów tranzystora (maksymalny prąd i napięcie pracy) piki te mogą być albo mniejsze, albo większe, a w niekorzystnym przypadku mogą doprowadzić do nieodwracalnego uszkodzenia tranzystorów wskutek zjawiska tzw. drugiego przebicia (duży prąd przy dużym napięciu UCE).

Nie ulega też wątpliwości, że omawiane piki związane są ze znacznymi, niepożądanymi stratami. Obniżają one sprawność przetwornicy. Trudno skrócić czas ich trwania, ponieważ z zasady działania i układu, i tranzystorów bipolarnych, występuje pewne nieuniknione opóźnienie podczas wyłączania jednego i włączania drugiego tranzystora (co też wiąże się z ryzykiem pasożytniczych oscylacji o dużej częstotliwości podczas przełączania).

Jeżeli „klasycznego rojera” chcemy wykorzystać w roli przetwornicy, to jej możliwości, w tym moc wyjściowa i sprawność, zostaną wyznaczone przez parametry transformatora, który jak już wiemy, musi mieć specyficzne właściwości dotyczące nasycania. W przetwornicach większej mocy problem jest większy, dlatego dość szybko zaproponowano zmodyfikowany układ z dwoma transformatorami według rysunku 8, zwany niekiedy układem Jensena.

Rys.8 Układ Jensena - schemat

Już graficzne przedstawienie transformatora oznaczonego T2 (symbol rdzenia, przypominający prostokątną pętlę histerezy) pokazują, że ma on wchodzić w nasycenie i to on ma być podstawą oscylatora. Może to być transformatorek o małych rozmiarach, bo jego zadaniem jest jedynie wytwarzanie drgań. Dzięki temu impulsy (piki) prądu są nieduże.

Natomiast drugi, główny, dużo większy transformator T1 odpowiada na przetwarzanie napięcia stałego na przebieg prostokątny i to on decyduje o mocy wyjściowej i sprawności przetwornicy – zaprojektowany jest tak, że nie wchodzi w nasycenie i może zawierać rdzeń mający mniejsze straty niż rdzeń pierwszego, nasycającego się transformatora. Koncepcja jest interesująca, jednak takie rozwiązania przetwornic nie są obecnie stosowane.

Już dawno zaproponowano też inną modyfikację. Rysunek 9 pokazuje zmodyfikowany układ Royera, gdzie w głównym obwodzie zasilania wstawiony jest dławik (cewka o możliwie dużej indukcyjności).

Rys.9 Zmodyfikowany układ Royera (z dławikiem)

Praca każdego klasycznego układu Royera związana jest z nasycaniem rdzenia, przez co pojawiają się silne impulsy prądowe. Dodanie w obwodzie zasilania dławika (cewki, która jak wiadomo, nie lubi zmian prądu) uniemożliwia przepływ takich krótkich, silnych impulsów prądowych. Dławik o odpowiednio dużej indukcyjności zmniejsza, a wręcz eliminuje problem dzięki temu, że jest on rodzajem źródła prądowego (przynajmniej dla przebiegów o większych częstotliwościach). Otrzymujemy w ten sposób wersję zasilaną prądowo (current-fed Royer).

Tu oczywiście może się nasunąć wątpliwość, czy taki układ będzie w ogóle działał, jeśli dławik nie pozwoli rdzeniowi transformatora szybko wejść w nasycenie?

Otóż będzie działał! Warunkiem pracy układu Royera jest nie tyle konieczność nasycenia rdzenia, co odwrócenie biegunowości napięć samoindukcji (wynikające z odwrócenia kierunku zmian prądu transformatora), bo właśnie to warunkuje przejście do kolejnej połówki cyklu pracy.

Wcześniej i w kontekście układu Royera, i generatora samodławnego (joule thief) konsekwentnie mówiliśmy o wejściu rdzenia w nasycenie. Tak, ale przyczyna zakończenia połówki cyklu nie musi wynikać z tego zjawiska. Dużo zależy od tego, jaką „wydajność prądową” ma aktualnie otwarty tranzystor.

Jak wiemy, w pierwszym przybliżeniu obwód kolektora tranzystora bipolarnego możemy traktować jak źródło prądowe, sterowane prądem bazy. Maksymalny prąd tego źródła prądowego wyznaczony jest właśnie przez prąd bazy (pomijamy inne czynniki). Możemy tak zaprojektować tego rodzaju generator, by prąd bazy był stosunkowo mały i by maksymalny prąd kolektora był mniejszy niż prąd nasycenia transformatora.

Wtedy transformator nigdy nie wejdzie w nasycenie, a jednak tak zaprojektowany generator Royera lub generator samodławny mogą pracować! W takich układach gdy liniowo rosnący prąd magnesujący transformatora osiągnie wartość maksymalną, wyznaczoną przez największy prąd kolektora (wyznaczony przez prąd bazy), wtedy niejako załamie się wcześniej występujące dodatnie sprzężenie zwrotne. Prąd nie będzie mógł dalej rosnąć, a utrzymanie jego stałej wartości, czyli zerowa szybkość zmian prądu oznacza zerowe napięcia samoindukcji w uzwojeniach.

W odpowiednio dobranych warunkach pracy spowoduje to nie tylko zanik napięć samoindukcji do zera, ale też zmniejszenie prądu kolektora przez zanik występującego wcześniej dodatniego sprzężenia zwrotnego, a to zmniejszenie prądu spowoduje pojawienie się napięć „odwrotnych”. Zwróć uwagę, że w takich rozwiązaniach rdzeń nie wchodzi w nasycenie, więc indukcyjność uzwojeń nie maleje, co można traktować jako dodatkową zaletę. Nie zdziw się więc, jeżeli spotkasz gdzieś podobne układy/schematy, gdzie rdzeń nie wchodzi w nasycenie. Jednak takie skądinąd interesujące rozwiązania też nie są dziś wykorzystywane.

Rys.10 Schemat generatora Royera z dwoma tranzystorami MOSFET i dwoma nasycanymi transformatorami
Rys.11 Schemat z pracy P.J. Baxandalla z 1959 roku

Niemniej koncepcja Royera jest atrakcyjna i z kilku powodów może się nasunąć wniosek, że rozwój polegał na zastąpieniu tranzystorów bipolarnych MOSFET-ami. Poniekąd tak, tylko trzeba pamiętać, że tranzystor bipolarny może pracować jako źródło prądowe sterowane prądem bazy, natomiast z MOSFET-ami jest kłopot. Co prawda charakterystyki wyjściowe są podobne, jednak sterowanie jest napięciowe i w praktyce nie sposób w prostych układach wykorzystać MOSFET-a jako źródło prądowe.

Przy klasycznym, prostym sterowaniu MOSFET jest znakomitym przełącznikiem, kluczem załącz/ wyłącz. Niemniej oczywiście zaproponowano „rojera z MOSFET-ami”.

Rysunek 10 pokazuje schemat wersji z dwoma tranzystorami MOSFET i dwoma nasycanymi transformatorami. Z różnych względów także i ta koncepcja nie jest wykorzystywana. A teraz schemat z rysunku 11, który pochodzi z wydanej w roku 1959 pracy P.J. Baxandalla.

Tranzystory mają tu dziwne symbole, niemniej są to bipolarne PNP, a schemat jest bardzo podobny do układu Royera. Tylko dodatkowo mamy tu „cewkę – źródło prądowe” L2 (jak na rysunkach 14 i 15) oraz kondensator C1 włączony równolegle na wyjściu.

Rysunek 12 przedstawia prostszą koncepcję generatora – przetwornicy z tranzystorami MOSFET: bez szeregowego dławika, ale z kondensatorem.

Rys.12 Przetwornica z tranzystorami MOSFET bez szeregowego dławika, ale z kondensatorem

Najważniejszą sprawą jest tu obecność kondensatora, który z indukcyjnością uzwojeń tworzy obwód rezonansowy. A obecność obwodu rezonansowego ogromnie dużo zmienia – zmienia zasadę działania.

Z praktyczną realizacją takich koncepcji najprawdopodobniej już się spotkałeś. I właśnie w następnym odcinku będziemy omawiać ogromnie popularny, nie tylko wśród hobbystów tak zwany Mazilli inverter (oscillator/converter/driver), powszechnie wykorzystywany do wytwarzania wysokich napięć i do realizacji nagrzewnic indukcyjnych.

Tematyka materiału: przetwornice indukcyjne, generator Royera
AUTOR
Udostępnij
UK Logo