Transformador flyback

Transformador de pulsos de alta frecuencia, comúnmente utilizado para accionar tubos de rayos catódicos.
Un transformador flyback de estilo antiguo que produce un arco.
Transformador flyback para televisores CRT modernos con triplicador integrado

Un transformador flyback (FBT), también llamado transformador de salida de línea (LOPT), es un tipo especial de transformador eléctrico . Inicialmente fue diseñado para generar señales de diente de sierra de alto voltaje a una frecuencia relativamente alta. En aplicaciones modernas, se utiliza ampliamente en fuentes de alimentación de modo conmutado para suministros de bajo (3 V) y alto voltaje (más de 10 kV).

Historia

El circuito del transformador flyback se inventó como un medio para controlar el movimiento horizontal del haz de electrones en un tubo de rayos catódicos (TRC). A diferencia de los transformadores convencionales, un transformador flyback no se alimenta con una señal de la misma forma de onda que la corriente de salida prevista. Un efecto secundario conveniente de un transformador de este tipo es la considerable energía que está disponible en su circuito magnético. Esto se puede aprovechar utilizando bobinados adicionales para proporcionar energía para operar otras partes del equipo. En particular, se obtienen fácilmente voltajes muy altos utilizando relativamente pocas vueltas de bobinados que, después de la rectificación , pueden proporcionar un voltaje de aceleración muy alto para un TRC. Muchas aplicaciones más recientes de un transformador de este tipo prescinden de la necesidad de producir altos voltajes y utilizan el dispositivo como un medio relativamente eficiente de producir una amplia gama de voltajes más bajos utilizando un transformador que es mucho más pequeño que un transformador de red convencional. [ cita requerida ]

Operación y uso

Ejemplo de formas de onda de corriente en un transformador flyback

El devanado primario del transformador flyback es accionado por un interruptor desde una fuente de CC (normalmente un transistor ). Cuando se activa el interruptor, la inductancia primaria hace que la corriente se acumule en una rampa. Un diodo integral conectado en serie con el devanado secundario evita la formación de una corriente secundaria que eventualmente se opondría a la rampa de corriente primaria. [1]

Cuando se apaga el interruptor, la corriente en el primario cae a cero. La energía almacenada en el núcleo magnético se libera al secundario a medida que el campo magnético en el núcleo colapsa. El voltaje en el devanado de salida aumenta muy rápidamente (generalmente menos de un microsegundo) hasta que las condiciones de carga lo limitan. Una vez que el voltaje alcanza un nivel tal que permite una corriente secundaria, el flujo de carga es como una rampa descendente.

El ciclo puede entonces repetirse. Si se permite que la corriente secundaria caiga completamente a cero (no hay energía almacenada en el núcleo), entonces se dice que el transformador funciona en modo discontinuo . [2] Cuando la corriente secundaria siempre es distinta de cero (siempre se almacena algo de energía en el núcleo), entonces se trata de modo continuo . [3] Esta terminología se utiliza especialmente en transformadores de suministro de energía.

El devanado de salida de bajo voltaje refleja el diente de sierra de la corriente primaria y, por ejemplo, para fines de televisión, tiene menos vueltas que el primario, lo que proporciona una corriente más alta. Esta es una forma de onda en rampa y pulsada que se repite en la frecuencia horizontal (línea) de la pantalla. El flyback (la parte vertical de la onda de diente de sierra) puede ser un problema potencial para el transformador flyback si la energía no tiene a dónde ir: cuanto más rápido colapsa un campo magnético, mayor es el voltaje inducido , que, si no se controla, puede destellar sobre los terminales del transformador. La alta frecuencia utilizada permite el uso de un transformador mucho más pequeño. En los televisores , esta alta frecuencia es de aproximadamente 15 kilohercios (15,625 kHz para PAL, 15,734 kHz para NTSC ), y las vibraciones del núcleo del transformador causadas por magnetostricción a menudo se pueden escuchar como un zumbido agudo. En las pantallas de computadora basadas en CRT , la frecuencia puede variar en un amplio rango, desde aproximadamente 30 kHz hasta 150 kHz.

El transformador puede estar equipado con bobinados adicionales cuyo único propósito es inducir un pulso de voltaje relativamente grande cuando el campo magnético colapsa cuando se apaga el interruptor de entrada. Hay una energía considerable almacenada en el campo magnético, y acoplarla a través de bobinados adicionales ayuda a que colapse rápidamente y evita el destello de voltaje que de otra manera podría ocurrir. El tren de pulsos que viene de los bobinados del transformador flyback se convierte en corriente continua mediante un simple rectificador de media onda . No tiene sentido utilizar un diseño de onda completa ya que no hay pulsos correspondientes de polaridad opuesta. Una vuelta de un bobinado a menudo produce pulsos de varios voltios. En los diseños de televisión más antiguos, el transformador producía el alto voltaje requerido para el voltaje de aceleración del CRT directamente con la salida rectificada por un rectificador simple. En diseños más modernos, el rectificador se reemplaza por un multiplicador de voltaje . Los televisores en color también deben usar un regulador para controlar el alto voltaje. Los primeros televisores usaban un regulador de tubo de vacío en derivación, pero la introducción de los televisores de estado sólido empleaba una resistencia dependiente del voltaje más simple. El voltaje rectificado se utiliza luego para alimentar el ánodo final del tubo de rayos catódicos.

A menudo hay bobinados auxiliares que producen voltajes más bajos para accionar otras partes del circuito de televisión. El voltaje utilizado para polarizar los diodos varactores en los sintonizadores modernos a menudo se deriva del transformador flyback ("Transformador de salida de línea" LOPT). En los conjuntos de tubos, un bobinado de filamento de una o dos vueltas se ubica en el lado opuesto del núcleo como secundario de alta tensión, que se utiliza para accionar el calentador del tubo rectificador de alta tensión.

Consideraciones prácticas

En las pantallas modernas, el LOPT, el multiplicador de voltaje y el rectificador suelen estar integrados en un único paquete en la placa de circuito principal. Suele haber un cable con un aislamiento grueso que va desde el LOPT hasta el terminal del ánodo (cubierto por una tapa de goma) en el lateral del tubo de imagen.

Una ventaja de operar el transformador a la frecuencia flyback es que puede ser mucho más pequeño y liviano que un transformador comparable que opera a la frecuencia de la red eléctrica. Otra ventaja es que proporciona un mecanismo de seguridad : si falla el circuito de deflexión horizontal, el transformador flyback dejará de funcionar y apagará el resto de la pantalla, lo que evitará el quemado de la pantalla que de otro modo resultaría de un haz de electrones estacionario.

Construcción

El primario se enrolla primero alrededor de una varilla de ferrita y luego el secundario se enrolla alrededor del primario. Esta disposición minimiza la inductancia de fuga del primario. Finalmente, un marco de ferrita se enrolla alrededor del conjunto primario/secundario, cerrando las líneas de campo magnético. Entre la varilla y el marco hay un espacio de aire, que aumenta la reluctancia . [4] El secundario se enrolla capa por capa con alambre esmaltado y película de Mylar entre las capas. De esta manera, las partes del alambre con un voltaje más alto tienen más material dieléctrico.

Aplicaciones

El transformador flyback opera dispositivos de visualización de CRT , como televisores y monitores de computadora de CRT. El voltaje y la frecuencia pueden variar en una amplia escala, según el dispositivo. Por ejemplo, un CRT de TV en color grande puede requerir de 20 a 50 kV con una velocidad de barrido horizontal de 15,734 kHz para dispositivos NTSC y 15,625 kHz para dispositivos PAL . A diferencia de un transformador de potencia (o "de red"), que utiliza una corriente alterna de 50 o 60 hertzios , un transformador flyback generalmente opera con corrientes conmutadas a frecuencias mucho más altas en el rango de 15 kHz a 50 kHz.

Véase también

Notas

  1. ^ Keith Billings (abril de 2003). "Diseño de transformadores flyback". Tecnología de electrónica de potencia .
  2. ^ Keith Billings (1 de abril de 2003). "Diseño de un transformador flyback para el modo discontinuo". Tecnología de electrónica de potencia .
  3. ^ Keith Billings (1 de mayo de 2003). "Diseño flyback para modo de operación continuo". Tecnología de electrónica de potencia .
  4. ^ Billings, Keith. "¿Por qué hay un espacio de aire?". powerelectronics.com . Tecnología de electrónica de potencia.

Referencias

  • Dixon, Lloyd H, Manual de diseño de magnetismo, Sección 1, Introducción y magnetismo básico, Texas Instruments, 2001
  • Dixon, Lloyd H, Manual de diseño de magnetismo, Sección 5, Diseño de inductores y transformadores flyback, Texas Instruments, 2001
  • Patente estadounidense 3.665.288 : " Transformador de barrido de televisión " - Theodore J. Godawski
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