Warum funktionieren Einzeltransistoroszillatoren, um einen Transformator mit Strom zu versorgen, wenn ein Transformator Wechselstrom benötigt?

Transistoren können "Wechselstrom erzeugen", tatsächlich können Sie mit den richtigen Filtern und Schaltungen Transistoren dazu bringen, Sinuswellen zu erzeugen (so funktionieren die meisten DC / AC-Wechselrichter).

In den modernen Netzteilen von heute werden Transistoren schnell ein- und ausgeschaltet, um einen wechselnden Strom zu erzeugen, der durch Transformatoren geleitet werden kann. Viele Schaltnetzteile (SMPS) tun dies, um AC/DC oder umgekehrt umzuwandeln.

Dies geschieht typischerweise mit einer Art Feedback- oder Regelschleife. Der Regelkreis erregt entweder die Spannung (wie im oberen Diagramm) oder steuert die Spannung auf einen bestimmten Pegel (wie wenn wir konstante 5 V aus einer 5-V-Stromversorgung wollen). Der Transistor wirkt als Verstärker, um eine positive Rückkopplung bereitzustellen. In SMPS wird eine analoge oder digitale Regelschleife verwendet, um eine negative Rückkopplung bereitzustellen.

Transformatoren benötigen zum Betrieb keinen Wechselstrom. Sie benötigen einen wechselnden Strom. Dabei kann es sich ebenso um einen wechselnden Gleichstrom handeln wie um einen Wechselstrom.

Ich weiß, dass Festkörper-Tesla-Spulen ein Paar Transistoren verwenden, um ein Wechselstromsignal zur Stromversorgung der Primärwicklung zu erzeugen. Wie kann also nur ein Transistor ein Wechselstromsignal zur Stromversorgung der Primärwicklung eines Slayer-Erregers oder Flyback-Transformators erzeugen?

Wenn Sie eine Tesla-Spule effizienter ansteuern möchten, verwenden Sie eine Gegentaktanordnung von Transistoren und "Festplatten" der Transistoren als Schalter. Dies minimiert Transistorverluste und ergibt eine energieeffizientere Lösung. Sie müssen sich jedoch vor „Killer“-Rück-EMKs in Acht nehmen, aber das ist eine andere Geschichte.

Wenn Sie einen einzelnen Transistor verwendet haben (wie in Ihrer ersten Schaltung), ist es wahrscheinlich, dass der Transistor in Klasse A arbeitet und Signale verarbeitet, die eher Sinuswellen ähneln. Da der Transistor in Klasse A arbeitet, gibt es immer einen stehenden Kollektorstrom in der Primärwicklung des Transformators und die Spannung an der Primärwicklung hat einen Durchschnittswert von Null, da sie über die Stromschiene so stark ansteigt, wie sie unter die Leistung fällt Schiene.

Ein Beispiel, das ich zur Hand habe, ist ein Colpitts-Oszillator, der eine Induktivität im Kollektor verwendet, aber dies könnte auch ein Transformator im Kollektor sein: -

Bilder von diesem Q&A .

Wie Sie sehen können, steigt Vout (blaue Kurve) gleichmäßig über und unter die 5-Volt-Schiene, daher bleibt der Transistor in Klasse A und die durchschnittliche Spannung über der Induktivität ist weitgehend Null. Obwohl die Versorgung Gleichstrom ist, ist die tatsächliche Eingangsspannung an der "Primärseite" praktisch reiner Wechselstrom, und natürlich muss dies bei jeder Induktivität oder jedem Transformator der Fall sein, um eine Sättigung zu vermeiden.

Wie kann nur 1 Transistor ein Wechselstromsignal erzeugen, um die Primärseite mit Strom zu versorgen?

Hier passieren zwei Dinge.

1. Wenn Sie ein "AC"-Signal über einem konstanten "DC"-Offset haben:

Der konstante DC-Teil geht direkt durch die Transformatorspule und erzeugt ein konstantes Magnetfeld. Sekundärseitig wird dadurch keine Spannung induziert. Alles, was es tut, ist, den Kern ein wenig zu sättigen und die Verluste zu erhöhen.

Der Wechselstromteil verursacht jedoch immer noch ein variierendes Magnetfeld, das eine Spannung auf der Sekundärseite des Transformators induziert.

Mit anderen Worten, Transformatoren arbeiten nur mit Wechselstrom, können jedoch einen gewissen Betrag des Gleichstrom-Offsetstroms auf der Primärseite ignorieren. Der Transformatorkern hat immer noch eine maximale Feldgrenze, über der er gesättigt wird, und diese hängt vom Momentanstrom ab. Wenn Sie also einen Gleichstrom zusätzlich zu Ihrem Wechselstrom haben, verringert sich der maximale Wechselstrom, den der Transformator verarbeiten kann, bevor sein Kern gesättigt ist.

2. Es ist ein Flyback-Transformator

Wenn der Transistor einschaltet, steigt der Strom in der Primärwicklung an. Da es sich um einen Transformator handelt, verursacht dies einen entsprechenden Spannungsanstieg auf der Sekundärseite, aber in einem Zeilenendtransformator wird dieser Teil der Sekundärwellenform nicht verwendet. Die Spannung steigt, aber es fließt kein Strom in die Last, normalerweise weil sich im Ausgang eine Gleichrichterdiode befindet.

Wenn der Transistor ausschaltet, wird die Primärseite getrennt. Aber die magnetische Energie im Kern ist nicht verschwunden, was bedeutet, dass der Strom einen Ort finden muss, an dem er fließen kann. Wenn dies nur eine Induktivität wäre, würde die Spannung ansteigen, bis etwas bricht und den Strom durchlässt, zum Beispiel würde der Transistor eine Lawine durchbrechen. Dies ist jedoch keine Induktivität, sondern ein Transformator, er hat zwei Spulen, sodass die Spannung sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite sehr schnell ansteigt, bis etwas kaputt geht. Bei einem Flyback-Transformator wird dies verwendet, um auf der Sekundärseite Hochspannung zu erhalten. Das Windungsverhältnis des Transformators ist so gewählt, dass die im Kern gespeicherte magnetische Energie vor den Transistorlawinen durch die Sekundärspule in die Last entladen wird. Sobald die Energie in der Last entladen ist, ist der magnetische Fluss wieder auf Null und der Zyklus kann neu gestartet werden.

Bei einem Flyback-Transformator ist der DC-Offset auf Ihrem AC also ein absichtlicher Teil des Designs und verursacht keine Probleme wie bei einem "normalen" Transformator. Das Ziel besteht darin, den Primärstrom hochzufahren, um Energie im Kern zu speichern, und sie dann über die Sekundärseite in die Last abzugeben.

Solange der Transistor eingeschaltet bleibt, steigen der Strom und der magnetische Fluss weiter an. Dies kann natürlich nicht ewig so weitergehen, erstens sind Kupferverluste in i ^ 2, also steigen sie bei hohem Strom dramatisch an, zweitens wird der Kern bei einem bestimmten Flusswert gesättigt. Daher sollten Eingangsspannung, Einschaltdauer, Windungen der Primärwicklung und Kupferstärke und natürlich der Kern selbst alle zusammen ausgewählt werden, um den besten Wirkungsgrad und die niedrigsten Kosten zu erzielen. Da ein Kern mit einem höheren Sättigungsfluss größer und teurer ist, beeinflusst auch der Spitzenprimärstrom die Kosten.

Diese Schaltungen verwenden eine positive AC-Rückkopplung, um zu oszillieren, indem DC in AC gepulst wird, um den AC-Ausgang zu erzeugen. Die 3. Spule auf der Primärseite ist eine zuverlässige Methode. Die anderen Methoden beruhen auf dem Rücklauf der richtigen Polarität der magnetischen und parasitären Kopplung, um eine positive Rückkopplung mit einer Verstärkung > 1 zu erzeugen.

Positive DC-Rückkopplung macht es lediglich zu einem Latch. aber AC positive Rückkopplung mit Verzögerung und richtiger Polarität macht es zu einem Oszillator.

hinzugefügt

Um eine großartige Tesla-Spule herzustellen, hat Tesla keine Transistoren verwendet. weil sie noch nicht erfunden waren. (anders als bei @Andyaka)

Wie hat er also dV maximiert?

Durch Minimierung von dt auf eine kleine Induktivität und eine relativ hohe Primärspannung, um eine Transformatorwicklung der zweiten Stufe mit niedriger Kapazität und einem niedrigen Windungsverhältnis <100, aber einen primären Stufentransformator mit dem höchstmöglichen Aufwärtsverhältnis zu erzeugen, sodass die Induktivität das Ergebnis nicht beeinflusst Verwendung die reinste 99,9% beste Isolierung, Glimmer, um den Trigger an den zweiten Transformator zu koppeln und die größten > 1 MV-Bögen zurückzuleiten.

Mit Falstads begrenztem 2-kB-Trace-Speicher ist es schwer zu simulieren, da Aliasing auftritt, wenn die Anstiegszeit schneller als 1/2 der Abtastrate ist, aber versuchen Sie, das wiederholte Lichtbogenintervall in einem Trace unterzubringen. Aber es sieht ungefähr so ​​aus. Verlangsamen Sie die Simulation, kurz bevor sie 10,0 kV erreicht, die Auslöseschwelle der Gasröhre, die ich zum Auslösen des Lichtbogens gewählt habe. Dadurch werden > 120 kV erzeugt. Theoretisch ist alles möglich, aber die Praxis hat physikalische Grenzen der Wicklungskapazität und des L / R-Verhältnisses eines 1-kW-Primärtransformators mit hoher Induktivität (riesig).

Ergebnis

V = L dI/dt Wenn dt auf Null geht, erhalten Sie die größte Lichtbogenspannung, aber mit niedrigem L für niedrige Sekundärkapazität der Leerlaufstufe 2 bei einer gewissen Resonanzfrequenz. .= LdI/V unter Verwendung eines Lichtbogenstreckenschalters mit der kleinsten dt-Lichtbogenanstiegszeit in xxx Pikosekunden.

HV-Lichtbögen erforderten einen schnellen negativen Widerstand, um die Spannung in Pikosekunden bis Nanosekunden zusammenbrechen zu lassen, um eine UHV-Flyback-Spule herzustellen, um eine Ultrahochspannung aus der nachfolgenden Stromänderung zu erzeugen.

Die Lichtbogendichte bestimmt, wie niedrig der ESR wird und wie schnell der Lichtbogen erlischt, um zu bestimmen, wie schnell dI/dt das Ergebnis ist. Durch die Verwendung einer Gaslichtbogenstrecke erhalten Sie also viel schnellere Anstiegszeiten als zu versuchen, die Stromabschaltung mit einer Transistorkapazität zu erzwingen.

Es sind letztendlich die niedrigere Kapazität und Q der RLC-Resonanz des Gaslichtbogenlöschens, die zu der hohen V führen. Aber zusammen mit hoher Q gibt es eine Hüllkurvenanstiegszeit, sodass die Spitzenspannung nicht immer im 1. Zyklus, sondern nach der Anstiegszeit von liegt Hüllkurve, da die primäre Entladungskappe mit einem niedrigen negativen ESR und dem Teslaspulen-DCR zerfällt, der das Ergebnis beeinflusst.

Dargestellt mit einer Abtastauflösung von 1 ns können Sie den Anstieg der Ausgangshüllkurve mit einem angemessenen L/R-Verhältnis von 32 uH/0,1 Ohm für Litzendraht in einem großen Luftkern und die Verwendung eines Donut-Abschlusses zur Reduzierung des E-Feld-Gradienten sehen.

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Versuchen Sie das nicht zu Hause.

Ihre 3 Versionen haben unterschiedliche Funktionsprinzipien. Auch der Transformator wird anders verwendet. Der 1. und 2. Schaltkreis verwenden den Transformator sowohl zum Erhöhen der Spannung als auch zum Erzeugen einer Rückkopplung im Oszillator. Beide Schaltungen verwenden ein Impulsoszillatorprinzip, bei dem der Transistor zunächst leitet, aber plötzlich in den nichtleitenden (= kein Ic) Zustand übergeht. Die Überleitung beginnt recht bald wieder. Wie schnell - das hängt von vielen Dingen ab, auch parasitäre Kapazitäten wirken sich aus. Gut vorhersehbare (niedrigere) Betriebsfrequenzen können erhalten werden, indem eine explizite RC-Zeitkonstantenschaltung eingefügt wird, anstatt sich auf parasitäre Kapazitäten zu verlassen.

Aber die wesentliche Idee beim Erhalten hoher Spannungen in den Schaltkreisen 1 und 2 besteht darin, magnetische Energie auf die Spule mit wachsendem Gleichstrom durch die Primärwicklung zu laden. Das Oszillator-Feedback ist nur eine Nebenfunktion. Wenn der Primärstrom plötzlich aufhört, wird ein induktiver Rückschlagimpuls erzeugt. Es ist ein kreisförmiges elektrisches Feld um den Kern im Transformator und so stark, dass mindestens eine der Wicklungen Strom irgendwohin drückt. Die Spannung springt einfach so hoch wie nötig, um ein allmähliches Abklingen des Magnetfelds zu ermöglichen. Eine stufenweise Änderung des Magnetfelds ist ebenso unmöglich wie das sofortige Stoppen einer bewegten Masse von voller Geschwindigkeit auf Null. Es passiert nicht, jede Bremsung lässt mehr oder weniger Bewegung zu, weil es keine unendlichen Kräfte gibt. Lesen Sie diesen alten Fall als Referenz:https://electronics.stackexchange.com/questions/282053/how-does-the-inductor-really-induce-voltage?r=SearchResults&s=1|63.8725

Der Transistor bleibt hoffentlich mindestens so lange nicht leitend, wie er benötigt wird, um die gesamte im Transformator gespeicherte magnetische Energie abzubauen. Sonst summiert sich der Strom allmählich und es kommt zu einem Kurzschluss.

Version 2 unterscheidet sich von Version 1 in einem wichtigen Bereich. In ver. 2 Der Transformator ist lose gekoppelt. Die Sekundärseite kann durchaus als Resonanzkreis (C = die Streukapazität) arbeiten und einige Zeit nach dem induktiven Rückschlag schwingen. Das ist die gleiche Idee wie bei der Tesla-Spule.

Der 3. Kreis ist anders. Sein Ausgangstransformator ist ebenfalls lose gekoppelt und klingelt im Wesentlichen nach jedem Eingangsimpuls. Die Mosfets speisen Impulse mit wechselnder Polarität (=AC) in die Primärwicklung ein. Die Primärwicklung wird nicht zur Erzeugung induktiver Rückschläge verwendet, der Transformator erhöht die Spannung eher wie ein normaler Transformator. Aber das Klingeln aufgrund der Resonanz ist wesentlich, um den gleichen Hochfrequenzgehalt wie Version 2 zu erzielen.

Ein einzelner Transistor vorwärts treibt einen Transformator mit Gleichstromimpulsen an. DC-Impulse funktionieren auch, wenn es eine zusätzliche Flyback- oder "DC-Reset" -Schaltung gibt, die die magnetische Energie vom Transformator zurück zur Stromversorgung führt und somit verhindert, dass sich Gleichstrom ansammelt und einen Kurzschluss entwickelt.

Die meisten Netzteile mit mehreren hundert Watt, die ich in PCs gesehen habe, verwenden dieses Prinzip, das die Primärseite mit Gleichstromimpulsen speist. Der Ausgang im Sekundärkreis wird gleichzeitig verwendet, wenn der Transistor im Primärkreis leitet. Das nächste Wikipedia-Bild zeigt das Prinzip:

Die Hilfswicklung gibt den induktiven Kickback-Impuls über D3 an die DC-Eingangsversorgung zurück.

Für weitere Beispiele suchen Sie nach „Forward DC to DC Converters“. Bei Sperrwandlern erhält der Ausgang einen neuen Impuls, wenn der Primärkreisschalter aufhört zu leiten. Bei Durchflusswandlern erhält der Ausgang einen neuen Impuls, wenn der Primärkreisschalter eingeschaltet ist. Das Ausschalten des Schalters erzeugt einen Impuls, der an die Eingangsgleichspannungsquelle zurückgegeben wird.

Wie kann nur 1 Transistor ein Wechselstromsignal erzeugen, um die Primärwicklung eines Slayer-Erregers oder Flyback-Transformators mit Strom zu versorgen?

Es ist ein AC-Signal + eine DC-Vorspannung. Ein Transformator kann eine gewisse DC-Vorspannung haben, ohne seinen Ausgang zu beeinträchtigen, vorausgesetzt, der Kern wird nicht gesättigt.