Почему однотранзисторные генераторы работают для питания трансформатора, если трансформатору нужен переменный ток?

Транзисторы могут «генерировать переменный ток», на самом деле с правильными фильтрами и переключением вы можете заставить транзисторы генерировать синусоидальные волны (так работает большинство инверторов постоянного / переменного тока).

В современных источниках питания транзисторы быстро включаются и выключаются для создания изменяющегося тока, который можно пропускать через трансформаторы. Многие импульсные источники питания (SMPS) делают это для преобразования переменного тока в постоянный или наоборот.

Обычно это делается с помощью обратной связи или контура управления. Контур управления либо возбуждает напряжение (как на верхней диаграмме), либо регулирует напряжение до определенного уровня (например, когда нам нужны постоянные 5 В от источника питания 5 В). Транзистор действует как усилитель для обеспечения положительной обратной связи. В SMPS для обеспечения отрицательной обратной связи используется аналоговый или цифровой контур управления.

Трансформаторы не требуют переменного тока для работы. Им нужен переменный ток. Это может быть переменный ток так же легко, как переменный ток.

Я знаю, что твердотельные катушки Тесла используют пару транзисторов для создания сигнала переменного тока для питания первичной обмотки, так как же только 1 транзистор может создать сигнал переменного тока для питания первичной обмотки возбудителя-убийцы или обратноходового трансформатора?

Если вы хотите более эффективно управлять катушкой Тесла, вы должны использовать двухтактную схему транзисторов и «жестко управлять» транзисторами в качестве переключателей. Это сводит к минимуму потери в транзисторах и делает решение более энергоэффективным. Тем не менее, вы должны остерегаться «убийственных» обратных ЭДС, но это уже другая история.

Если вы использовали один транзистор (как в вашей первой схеме), вполне вероятно, что транзистор будет работать в классе A и обрабатывать сигналы, которые больше похожи на синусоидальные волны. Поскольку транзистор работает в классе A, в первичной обмотке трансформатора всегда будет постоянный ток коллектора, а напряжение на первичной обмотке будет иметь среднее значение, равное нулю, поскольку оно будет подниматься выше шины питания настолько, насколько оно падает ниже мощности. рельс.

Примером, который я должен передать, является генератор Колпитца, который использует катушку индуктивности в коллекторе, но это также может быть трансформатор в коллекторе:

Фотографии из этого вопроса и ответа .

Как вы можете видеть, Vout (синяя кривая) одинаково возрастает выше и ниже 5-вольтовой шины, следовательно, транзистор остается в классе A, а среднее напряжение на катушке индуктивности практически равно нулю. Таким образом, даже если источник питания постоянный, фактическое входное напряжение на «первичке» практически чистое переменное, и, конечно же, с любым дросселем или трансформатором оно должно быть таким, чтобы избежать насыщения.

как только 1 транзистор может создать сигнал переменного тока для питания первичной обмотки?

Здесь происходят две вещи.

1. Если у вас есть сигнал «AC» поверх постоянного смещения «DC»:

Постоянная часть постоянного тока пройдет прямо через катушку трансформатора и создаст постоянное магнитное поле. Это не индуцирует никакого напряжения во вторичной обмотке. Все, что он делает, это немного насыщает ядро ​​и увеличивает потери.

Однако часть переменного тока по-прежнему будет вызывать переменное магнитное поле, которое будет индуцировать напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Другими словами, трансформаторы работают только на переменном токе, но могут игнорировать некоторое количество постоянного тока смещения на первичной обмотке. Сердечник трансформатора по-прежнему имеет максимальный предел поля, выше которого он будет насыщаться, и это зависит от мгновенного тока, таким образом, наличие постоянного тока поверх вашего переменного тока снижает максимальный переменный ток, который трансформатор может выдержать до того, как его сердечник насытится.

2. это обратноходовой трансформатор

Когда транзистор открывается, ток в первичной обмотке возрастает. Поскольку это трансформатор, это вызывает соответствующее повышение напряжения на вторичной обмотке, но в обратноходовом трансформаторе эта часть формы вторичной волны не используется. Напряжение растет, но ток в нагрузку не идет, обычно потому, что на выходе стоит выпрямительный диод.

Когда транзистор закрывается, первичка отключается. Но магнитная энергия в ядре не исчезла, а значит, току нужно найти, куда течь. Если бы это была просто катушка индуктивности, напряжение росло бы до тех пор, пока что-нибудь не сломалось бы и не пропустило бы ток, например, транзистор пошел бы лавинообразно. Однако это не индуктор, а трансформатор, у него две катушки, поэтому напряжение очень быстро растет как на первичной , так и на вторичной обмотках, пока что-нибудь не сломается. В трансформаторе обратного хода это используется для получения высокого напряжения на вторичной обмотке. Соотношение витков трансформатора выбирается таким образом, чтобы магнитная энергия, накопленная в сердечнике, разряжалась через вторичную катушку в нагрузку до того, как произойдет лавина транзистора. Как только энергия сбрасывается в нагрузку, магнитный поток возвращается к нулю, и цикл может быть перезапущен.

Таким образом, в обратноходовом трансформаторе смещение постоянного тока на вашем переменном токе является преднамеренной частью конструкции и не создает проблем, как в «обычном» трансформаторе. Цель состоит в том, чтобы нарастить первичный ток для накопления энергии в ядре, а затем сбросить ее в нагрузку через вторичную обмотку.

Пока транзистор остается открытым, ток и магнитный поток будут увеличиваться. Конечно, это не может продолжаться вечно, во-первых, потери в меди составляют i ^ 2, поэтому они резко возрастают при большом токе, во-вторых, при некотором значении потока сердечник насыщается. Таким образом, входное напряжение, время включения, витки первичной обмотки и диаметр меди и, конечно же, сам сердечник следует выбирать вместе для обеспечения наибольшей эффективности и наименьшей стоимости. Поскольку сердечник с более высоким потоком насыщения будет больше и дороже, пиковый первичный ток также влияет на стоимость.

В этих схемах используется положительная обратная связь по переменному току для генерации импульсов постоянного тока в переменный для генерации выходного переменного тока. 3-я катушка на первичной стороне — надежный метод. Другие методы основаны на обратной связи правильной полярности магнитной и паразитной связи для создания положительной обратной связи с коэффициентом усиления >1.

Положительная обратная связь по постоянному току просто делает его защелкой. но положительная обратная связь переменного тока с задержкой и правильной полярностью делает его генератором.

добавлен

Чтобы сделать отличную катушку Теслы, Тесла не использовал никаких транзисторов. потому что их еще не изобрели. (в отличие от @Andyaka)

Так как же он максимизировал dV?

Путем минимизации dt до малой индуктивности и достаточно высокого напряжения дуги в первичной обмотке для создания обмотки трансформатора 2-й ступени с низкой емкостью с низким коэффициентом трансформации <100, но первичным ступенчатым трансформатором с максимально возможным коэффициентом повышения, поэтому индуктивность не повлияет на результат, используя самая чистая 99,9% лучшая изоляция, слюда для соединения триггера со вторым трансформатором и обратного хода самых больших дуг > 1 МВ.

Трудно моделировать с ограниченной памятью трасс Falstad 2 КБ, поскольку наложение происходит, когда время нарастания меньше, чем 1/2 частоты дискретизации, но при этом пытаются уместить повторяющийся интервал дуги в одну трассу. Но это выглядит примерно так. Замедлите симуляцию непосредственно перед тем, как она достигнет 10,0 кВ порога срабатывания газовой трубки, которую я выбрал для запуска дуги. Это даст > 120 кВ. В теории возможно все, но на практике существуют физические пределы межобмоточной емкости и отношения L/R высокоиндуктивного первичного трансформатора мощностью 1 кВт (огромные).

результат

V = L dI/dt, когда dt стремится к нулю, вы получаете самое большое напряжение дуги, но с низким L для низкой вторичной емкости второй ступени разомкнутой цепи на некоторой резонансной частоте. .= LdI/V с использованием переключателя дугового промежутка с наименьшим временем нарастания дуги dt в xxx пикосекундах.

Дуги высокого напряжения требовали быстрого отрицательного сопротивления для снижения напряжения в пределах от пикосекунд до наносекунд, чтобы заставить обратноходовую катушку сверхвысокого напряжения генерировать сверхвысокое напряжение в результате последующего изменения тока.

Плотность дуги определяет, насколько низким становится значение ESR и как быстро гаснет дуга, чтобы определить, насколько быстрым будет результат dI/dt. Таким образом, используя газовый дуговой разрядник, вы получаете гораздо более быстрое время нарастания, чем при принудительном отключении тока с помощью емкости транзистора.

В конечном счете, более низкая емкость и Q RLC-резонанса гашения газовой дуги приводят к высокому V. Но наряду с высоким Q есть время нарастания огибающей, поэтому пиковое напряжение не всегда приходится на 1-й цикл, а после времени нарастания оболочке при распаде первичной разрядной крышки с низким отрицательным ESR и DCR катушки Тесла, что влияет на результат.

На изображении с разрешением дискретизации 1 нс вы можете увидеть рост выходной огибающей с разумным отношением L/R 32 мкГн/0,1 Ом для литцендрата в большом воздушном сердечнике и с использованием торцевой оконечной нагрузки для уменьшения градиента электронного поля.

Сейчас 175кВ

Не пытайтесь повторить это дома.

Ваши 3 версии имеют разные принципы работы. Также трансформатор используется по-разному. В 1-й и 2-й схемах трансформатор используется как для повышения напряжения, так и для создания обратной связи в генераторе. Обе схемы используют принцип импульсного генератора, в котором транзистор сначала проводит, но внезапно закрывается в непроводящее (= нет Ic) состояние. Проведение возобновляется довольно скоро. Как скоро - это от многого зависит, даже паразитные емкости сказываются. Хорошо предсказуемые (более низкие) рабочие частоты можно получить, вставив явную схему RC-постоянной времени вместо того, чтобы полагаться на паразитные емкости.

Но основная идея получения высоких напряжений в цепях 1 и 2 состоит в том, чтобы заряжать катушку магнитной энергией с растущим постоянным током через первичную обмотку. Обратная связь осциллятора является лишь побочной функцией. Когда первичный ток внезапно прекращается, генерируется индуктивный импульс отдачи. Это круговое электрическое поле вокруг сердечника в трансформаторе, и оно настолько сильное, что по крайней мере одна из обмоток куда-то толкает ток. Напряжение просто подскакивает настолько высоко, насколько это необходимо, чтобы обеспечить постепенное затухание магнитного поля. Ступенчатое изменение магнитного поля так же невозможно, как и мгновенная остановка движущейся массы с полной скорости до нуля. Этого не происходит, каждое торможение допускает большее или меньшее движение, потому что бесконечных сил не существует. Прочтите это старое дело для справки:https://electronics.stackexchange.com/questions/282053/how-does-the-inductor-really-induce-voltage?r=SearchResults&s=1|63.8725

Мы надеемся, что транзистор остается непроводящим, по крайней мере, до тех пор, пока он необходим для рассеивания всей магнитной энергии, хранящейся в трансформаторе. В противном случае ток постепенно накапливается и происходит короткое замыкание.

версия 2 отличается от версии 1 в одной важной области. В вер. 2 трансформатор слабо связан. Вторичная обмотка вполне может работать как резонансная цепь (С = паразитная емкость) и колебаться некоторое время после индуктивной отдачи. Это та же идея, что и в катушке Теслы.

3-й контур отличается. Его выходной трансформатор также имеет слабую связь и практически звонит после каждого входного импульса. МОП-транзисторы подают импульсы переменной полярности (=AC) на первичную обмотку. Первичная обмотка не используется для создания индуктивных откатов, трансформатор повышает напряжение больше, чем обычный трансформатор. Но звон из-за резонанса необходим для создания того же высокочастотного содержания, что и в версии 2.

Однотранзисторный прямой привод трансформатора с импульсами постоянного тока. Импульсы постоянного тока также работают, если есть вспомогательная схема обратного хода или «сброс постоянного тока», которая возвращает магнитную энергию от трансформатора обратно в источник питания и, таким образом, предотвращает накопление постоянного тока и развитие короткого замыкания.

Большинство блоков питания мощностью несколько сотен ватт, которые я видел в ПК, используют этот принцип, который питает первичную обмотку импульсами постоянного тока. Выход во вторичной цепи используется одновременно с транзистором в первичной цепи. Следующее изображение из Википедии представляет принцип:

Вспомогательная обмотка возвращает импульс индуктивной отдачи на вход постоянного тока через D3.

Для получения дополнительных примеров выполните поиск «прямые преобразователи постоянного тока в постоянный». В обратноходовых преобразователях на выходе появляется новый импульс, когда переключатель первичной цепи перестает проводить ток. В прямоходовых преобразователях выход получает новый импульс, когда переключатель первичной цепи находится в положении ON. При выключении переключателя генерируется импульс, который возвращается к входному источнику постоянного напряжения.

как только 1 транзистор может создать сигнал переменного тока для питания первичной обмотки возбудителя или обратноходового трансформатора?

Это сигнал переменного тока + смещение постоянного тока. Трансформатор может иметь некоторое смещение постоянного тока, не влияя на его выход, при условии, что сердечник не насыщается.