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A Royer oscilador es un sistema electrónico oscilador de relajación que emplea un saturable-core transformador . Fue inventado y patentado en 1954 por George H. Royer. [1] Tiene las ventajas de simplicidad, bajo número de componentes, formas de onda rectangulares y fácil aislamiento del transformador . Al aprovechar al máximo el núcleo del transformador, también minimiza el tamaño y el peso del transformador. El circuito clásico de Royer produce ondas cuadradas. Hay otro diseño de convertidor que a menudo se describe como un "Royer resonante" que genera ondas sinusoidales. Esto, aparentemente, fue descrito por primera vez en 1959 por Baxandall y, por lo tanto, debería llamarse el "convertidor de Baxandall". Sus diferencias se explican a continuación. Ambas versiones son muy utilizadas, principalmente como inversores de potencia .
El circuito Royer consta de un transformador de núcleo saturable con un devanado primario con toma central , un devanado de retroalimentación y (opcionalmente) un devanado secundario . Las dos mitades del primario son impulsadas por dos transistores en configuración push-pull . El devanado de retroalimentación acopla una pequeña cantidad del flujo del transformador a las bases del transistor para proporcionar retroalimentación positiva , generando oscilación. La frecuencia de oscilación está determinada por la máxima densidad de flujo magnético , el voltaje de la fuente de alimentación y la inductancia del devanado primario .
El Royer básico genera una salida de onda cuadrada . [2]
La necesidad de utilizar un núcleo saturable limita la elección del material del núcleo. Algunos materiales comunes son:
Material del núcleo | Densidad de flujo de saturación / G | Pérdidas de núcleo W / cm 3 a 50 kHz |
---|---|---|
Toshiba MB | 6000 | 0,49 |
Metglas2714A | 6000 | 0,62 |
Permalloy 80 cuadrado (0,5 mil) | 7800 | 0,98 |
Permalloy cuadrado 80 (1 mil) | 7800 | 4.2 |
Tipo de ferrita 84 | 4000 | 4 |
Un inconveniente de la operación en modo de voltaje es que la tensión en los transistores de conmutación es alta durante el tiempo de cruce, cuando tanto el voltaje como la corriente son altos. Este inconveniente se alivia mediante el funcionamiento en modo actual. Esto se logra insertando un inductor en el suministro de la toma del centro del transformador. Este inductor reduce el voltaje de la toma central cuando el dI / dt sería muy alto en el modo de voltaje. Esta versión mejorada se llama oscilador Royer alimentado por corriente en algunos libros. [3]
El circuito oscilador clásico de Royer (con o sin variador de corriente) se usa en algunos inversores CC-CA donde la salida de onda cuadrada es aceptable para la carga. También se usó mucho en la década de 1970 para conmutar fuentes de alimentación (rectificando la salida) y generalmente se implementó con transistores bipolares. [4] Este circuito se basa únicamente en la saturación del núcleo del transformador para provocar la conmutación entre los dos estados.
Variante de onda sinusoidal
Hay tres diferencias principales entre el convertidor Royer y el diseño resonante de Baxandall, aunque la literatura es mixta. [5] [6] En primer lugar, el circuito de onda sinusoidal agrega un condensador en paralelo con el primario del transformador con toma central, que forma un circuito LC ("tanque") resonante. En segundo lugar, se conecta un inductor en serie con la tensión de alimentación a la toma primaria del transformador. Estos componentes cambian la naturaleza del circuito por completo desde el diseño de Royer.
Cuando un transistor está encendido, su voltaje de colector es cercano a cero, limitado por el voltaje de saturación. Funciona con una corriente constante, establecida por el inductor. La corriente en el primario del transformador se divide en dos partes, cada lado conduce la mitad de una onda sinusoidal pero en antifase, y cada una con un promedio, o compensación de CC, de la mitad del voltaje de suministro. Las corrientes opuestas siempre se equilibran, pero todo el primario "ve" la onda sinusoidal completa. De esta manera, se puede generar una onda sinusoidal mientras se permite que los transistores se enciendan y apaguen completamente alternativamente en el modo push-pull. Este es el único parecido con el convertidor Royer.
El voltaje de la toma central oscila hacia arriba y hacia abajo a medida que el inductor se opone al cambio de corriente. Como resultado, la forma de onda se parece mucho a un rectificador de onda completa. El voltaje de suministro de CC es igual al promedio, por lo que la toma alcanza un máximo de aproximadamente (pi / 2) * Vcc. Como el transformador actúa como un autotransformador 2: 1 en el primario, el voltaje del colector del transistor "apagado" alcanza el doble, o pi veces Vcc.
Finalmente, la tercera gran diferencia es que el transformador no se satura o no debería saturar. El cambio entre los dos transistores se realiza simplemente a través de la polaridad cambiante primaria resonante cada medio ciclo.
Un circuito de este tipo se utilizó, por ejemplo, para controlar el CRT del osciloscopio Tektronix 547 . [7] Un circuito que emplea una idea similar aparece en una patente de 1973 cedida a Bell Telephone Laboratories [8] y, como se mencionó, en un documento de conferencia de 1959 de PJ Baxandall, [9] quien proporcionó una descripción clara de su funcionamiento.
El convertidor Baxandall se ha utilizado recientemente para impulsar tubos fluorescentes de fuentes de bajo voltaje, a menudo con baterías recargables, para iluminación de emergencia y camping, etc. También en su artículo de 1959, Baxandall describió una variante de voltaje conmutado del oscilador de onda sinusoidal. Esta variante parece haber sido la precursora de la mayoría de los controladores de dos transistores para lámparas fluorescentes compactas (CFL) y que se ha ampliado recientemente para impulsar también lámparas LED de bajo voltaje.
Otra aplicación del convertidor Baxandall es alimentar CCFL . Los CCFL exhiben una degradación en su eficiencia de salida de corriente a luz en presencia de armónicos , por lo que el circuito resonante es el que se usa para impulsarlos . [10] Para proporcionar un ajuste de la intensidad de la luz, un circuito integrado normalmente impulsa una señal modulada por ancho de pulso en la puerta de un transistor adicional, formando un convertidor reductor con el estrangulador de alimentación. [11] Otros circuitos integrados controlan también los dos transistores del oscilador y detectan el valle cero de la derivación media del transformador para hacer esto. [12]