Un oscilador Royer es un oscilador electrónico de relajación que emplea un transformador de núcleo saturable en la ruta de alimentación principal. Fue inventado y patentado en abril de 1954 por Richard L. Bright y George H. Royer, quienes figuran como co-inventores en la patente. [1] Tiene las ventajas de simplicidad, bajo conteo de componentes, formas de onda rectangulares y aislamiento del transformador . Además de ser un inversor, se puede utilizar como un convertidor CC-CC aislado galvánicamente cuando el devanado de salida del transformador está conectado a una etapa rectificadora adecuada, en cuyo caso el aparato resultante suele denominarse "convertidor Royer".
Tiene algunas desventajas, la más notable es que su voltaje de salida (tanto la amplitud como la frecuencia del mismo) depende en gran medida del voltaje de entrada, y esto no se puede superar sin cambios significativos en el diseño original patentado por Royer. La otra desventaja es que la pérdida de potencia en el transformador puede ser muy significativa ya que debe operar a su máxima densidad de flujo magnético (de saturación) a la frecuencia de diseño. Por lo tanto, el transformador es un componente crítico del inversor Royer que tiene un impacto en (a) su función (la amplitud y frecuencia del voltaje de salida) y (b) qué tan bien realiza esa función (eficiencia general).
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El circuito oscilador de 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 accionadas por dos transistores en configuración push-pull . El devanado de retroalimentación acopla una pequeña cantidad de la potencia del transformador a las bases del transistor para proporcionar retroalimentación positiva , generando así oscilación. La frecuencia de oscilación está determinada por la densidad máxima de flujo magnético , la tensión de alimentación y la inductancia del devanado primario .
El Royer básico genera una tensión de salida de onda cuadrada , [2] lo que puede ser una ventaja para algunas aplicaciones. Esta tensión de salida de onda cuadrada se puede convertir a tensión constante (CC) al pasarla a través de una etapa rectificadora adecuada (normalmente un puente de onda completa de diodos seguido de un estrangulador de filtro y un condensador de suavizado).
Este circuito se basa únicamente en la saturación del núcleo magnético para provocar el cambio entre los dos estados, lo que tiene tres (3) consecuencias importantes:
En primer lugar, la pérdida de potencia en el núcleo debido a la pérdida por histéresis es alta, lo que disminuye la eficiencia de conversión de potencia. La pérdida de potencia en materiales magnéticos es proporcional a la densidad de flujo pico elevada a una potencia de entre 2 y 3, y a la frecuencia elevada a una potencia de entre 1 y 2, consulte la ecuación de Steinmetz .
En segundo lugar, existe un límite superior para la frecuencia de funcionamiento. Esto hace que los convertidores Royer prácticos sean más grandes y más pesados que los ejemplos más modernos de fuentes de alimentación conmutadas de potencias nominales similares que funcionan a frecuencias mucho más altas.
En tercer lugar, esto limita la elección del material del núcleo adecuado; aquí hay una lista de algunos materiales comunes (tenga en cuenta la densidad de pérdida de potencia):
El circuito oscilador Royer clásico se utiliza en algunos inversores CC-CA en los que la salida de onda cuadrada es aceptable para la carga. El formato de convertidor CC-CC (convertidor Royer) fue bastante popular en la década de 1970, época en la que se implementaba normalmente con transistores bipolares. [3] Sin embargo, debido a las desventajas mencionadas anteriormente, los niveles de potencia suelen estar limitados a menos de unos pocos cientos de vatios.
Al utilizar un núcleo magnético de saturación independiente para proporcionar únicamente las señales de control a los transistores de conmutación, ya no es necesario que el transformador principal se sature, por lo que sus pérdidas de potencia se pueden reducir significativamente. Dado que el transformador añadido es mucho más pequeño que el transformador principal, su pérdida de potencia debido al funcionamiento en saturación da como resultado pérdidas de potencia mucho menores que las que se producirían si el transformador principal funcionara en saturación. Esto da como resultado una mejora significativa en la eficiencia general del convertidor y permite la implementación de inversores CC-CA y convertidores CC-CC de potencias nominales mucho más altas. Además, el diseñador ahora tiene la libertad de seleccionar o diseñar el transformador principal a partir de una gama mucho más amplia de componentes y materiales adecuados. Esta mejora fue patentada por primera vez por Jensen en 1955, solo 16 meses después de que Royer presentara su patente el 6 de abril de 1954. [4]
Una desventaja del oscilador Royer original es que la tensión en los transistores de conmutación es alta durante el tiempo de transición de conmutación (este es el momento en que el interruptor del transistor cambia de estado de (a) OFF a ON, o (b) ON a Off). Durante este tiempo, los transistores experimentan tanto alto voltaje como alta corriente simultáneamente, lo que causa una alta disipación de potencia instantánea dentro del transistor. Este inconveniente se alivia insertando un inductor entre la fuente de alimentación de entrada y la toma central del transformador. Este inductor permite que el voltaje de la toma central caiga durante los tiempos de transición de conmutación antes mencionados mientras mantiene la corriente de entrada relativamente constante (de ahí el nombre "alimentado por corriente"), lo que permite que el voltaje a través de cada transistor sea bajo mientras la corriente se transfiere de un transistor al otro, reduciendo así en gran medida la disipación de potencia instantánea del transistor. Esta versión mejorada se llama oscilador Royer alimentado por corriente en algunos libros. [5]
En la mayoría de los ejemplos de esta mejora, este diseñador selecciona deliberadamente el valor de inductancia de este inductor (unidades de henry ) para que sea lo suficientemente grande como para que la corriente que fluye en este inductor sea relativamente constante; por lo general, la corriente tendrá un pequeño componente de ondulación, por ejemplo, una ondulación de pico a pico de menos del 30% del valor promedio. En tales casos, este inductor se denomina "estrangulador de CC" o simplemente "estrangulador", consulte Estrangulador (electrónica) .
Esta mejora también se puede aplicar al convertidor Jensen mencionado anteriormente.
Otra mejora consiste en añadir un convertidor reductor entre la fuente de tensión de entrada y el estrangulador (inductor). Este convertidor reductor se puede utilizar para regular la corriente que fluye por el estrangulador, lo que permite controlar la tensión de salida. Por supuesto, esta mejora se puede aplicar con igual eficacia tanto al Royer original como a la variante de Jensen. Un ejemplo temprano de esto se puede encontrar en la patente estadounidense de Jones. [6]
La tecnología está en constante avance y el desarrollo de circuitos autooscilantes no es diferente en este sentido. En 1959, apenas unos años después de que se patentara y publicara el oscilador Royer, se inventó un nuevo oscilador que se conoce comúnmente como el "inversor/convertidor Baxandall", ya que fue patentado por Peter James Baxandall [7] y fue publicado inicialmente por él en un artículo de conferencia de 1959 que describe claramente su funcionamiento. [8] Aunque el inversor/convertidor Baxandall realmente merece su propio artículo de Wikipedia, se lo menciona aquí brevemente porque a veces se lo conoce como un "Royer resonante"; sin embargo, como se mostrará a continuación, este es un nombre inapropiado ya que su principio de funcionamiento es completamente diferente al del Royer original.
Existe otro diseño de inversor/convertidor autooscilante conocido como "convertidor Baxandall" (a veces llamado incorrectamente "Royer resonante") que genera un voltaje de salida de onda sinusoidal en lugar de un voltaje de onda cuadrada, que también se utiliza para la conversión CC-CC cuando se conecta a una etapa rectificadora adecuada. Esto fue descrito por primera vez en 1959 por Peter James Baxandall . [7] Hay tres diferencias principales entre el oscilador Royer y el oscilador Baxandall, estas diferencias se explican a continuación, en el contexto de su aplicación en el campo de la conversión de energía ( inversor de energía CC-CA o convertidor CC-CC CC a CC ).
En primer lugar, se conecta un estrangulador (inductor) en serie con la tensión de alimentación a la toma primaria del transformador. Esto hace que el inversor Baxandall sea alimentado por corriente, al igual que las variantes alimentadas por corriente del Royer mencionadas anteriormente.
En segundo lugar, se forma un circuito de tanque resonante añadiendo un condensador en paralelo con el transformador, ya sea en el lado primario a través de los transistores de conmutación, o en el lado secundario a través del devanado de salida, o una combinación de ambos. Este cambio significa que el voltaje de salida de Baxandall es una onda sinusoidal (consulte Onda sinusoidal ), mientras que el voltaje de salida del circuito Royer clásico es una onda cuadrada (consulte Onda cuadrada ).
Finalmente, la tercera diferencia importante es que el transformador no se satura, o no debería saturarse. La conmutación entre los dos transistores se produce simplemente a través de la resonancia natural que se produce entre un inductor y un condensador, y NO por la saturación de un componente magnético. Esta es la diferencia fundamental entre estos dos osciladores: el Royer oscila por sí mismo debido a la saturación de un componente magnético (consulte Saturación (magnética) ), mientras que el Baxandall oscila por sí mismo debido a la resonancia LC (consulte resonancia ).
Cuando un transistor está encendido, su voltaje de colector es cercano a cero y dirige la corriente del estrangulador de entrada hacia uno de los devanados primarios. Al mismo tiempo, el otro transistor está apagado, su corriente es cero mientras que su voltaje es una semionda sinusoidal (pico = Vin * PI). Los transistores dirigen la corriente de entrada hacia cada uno de los devanados primarios del transformador de manera alternada. Las corrientes opuestas en los devanados primarios 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 de manera alternada en modo push-pull. Esta es la única semejanza con el convertidor Royer.
El voltaje en el nodo de toma central del transformador 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 la salida de un rectificador de onda completa (consulte Rectificador ). El voltaje de suministro de CC equivale al promedio, por lo que la toma alcanza un pico 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 por Vcc.
Un circuito que emplea una idea similar aparece en una patente de 1973 para un convertidor CC-CC asignado a Bell Telephone Laboratories [9] que, curiosamente, utiliza tanto resonancia como saturación magnética.
Un circuito de este tipo se utilizó para controlar el CRT del osciloscopio Tektronix 547. [ 10]
Otra aplicación del convertidor Baxandall es la alimentación de lámparas fluorescentes de cátodo frío ( CCFL ). Las CCFL presentan una degradación en su eficiencia de salida de corriente a luz en presencia de armónicos , por lo que es mejor controlarlas con una onda sinusoidal que con una onda cuadrada. [11] Para proporcionar un ajuste de la intensidad de la luz, un circuito integrado normalmente controla una señal modulada por ancho de pulso en la compuerta de un transistor adicional, formando un convertidor reductor ("buck") con el estrangulador de alimentación. [12] Otros circuitos integrados controlan también los dos transistores osciladores y detectan el valle cero de la toma intermedia del transformador para hacer esto. [13]
El convertidor Baxandall se ha utilizado recientemente para alimentar tubos fluorescentes a partir de fuentes de bajo voltaje, a menudo utilizando baterías recargables, para iluminación de emergencia y para campamentos, etc. También en su artículo de 1959, Baxandall describió una variante conmutada por voltaje 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), que se ha extendido recientemente para alimentar lámparas LED de bajo voltaje .
El oscilador/inversor Royer original es un ejemplo de un "circuito autooscilante" ya que su frecuencia de funcionamiento está determinada únicamente por la fuente de energía externa (el voltaje de CC de entrada) y al menos uno de los componentes de energía principales que procesan la energía total que pasa a través del aparato, consulte la nota 1 a continuación. Hay otros ejemplos de inversores (y convertidores) autooscilantes a los que a veces se hace referencia con el mismo nombre "Royer" (o variaciones del mismo), a pesar del hecho de que funcionan con principios completamente diferentes. El oscilador Baxandall es un ejemplo notable, ya que a veces se lo conoce como un "Royer resonante", "Royer autorresonante" o "Royer LC", pero su funcionamiento no tiene nada que ver con la saturación magnética en la que se basa el Royer, funciona según el principio de la resonancia natural de la energía eléctrica que se produce entre inductores y condensadores que funcionan en sus estados no saturados. La saturación magnética suele ser altamente indeseable en un oscilador Baxandall y, de hecho, es algo que los diseñadores de la mayoría de los equipos de conversión de energía tienen mucho cuidado de evitar. El hecho de que el Royer original utilice la saturación magnética del núcleo de su transformador de potencia principal como principio de funcionamiento principal lo hace bastante único entre la amplia gama de circuitos que se han empleado en el campo de la conversión de energía en las últimas décadas; por lo tanto, su nombre no debe aplicarse descuidadamente a otros circuitos de conversión de energía que no se basan en el mismo principio.
Desafortunadamente, esta confusión de nombres se ha vuelto frecuente en la literatura moderna (por ejemplo, en las hojas de datos, [14] y es uno de los temas de este intercambio entre dos profesionales muy respetados en el arte del diseño de circuitos. [15]
El oscilador Royer fue uno de los primeros ejemplos de circuitos autooscilantes que se utilizaron y popularizaron ampliamente, por lo que es comprensible que el nombre "Royer" se aplicara a otros circuitos autooscilantes en las décadas siguientes. Además, la palabra "Royer" o "clase Royer" es más conveniente que escribir "circuito inversor/convertidor autooscilante basado en la saturación magnética del transformador de potencia principal". Sin embargo, debemos evitar usar incorrectamente el nombre "Royer", ya que solo puede crear confusión. Han pasado más de 50 años desde que se inventaron estos circuitos por primera vez, por lo que el nombre "Royer" debe aplicarse solo a aquellos circuitos que se adhieren estrictamente a los conceptos de la patente original.
El primer nombre que aparece en la patente original del oscilador Royer es Richard L. Bright y el nombre de Royer aparece en segundo lugar, aunque rara vez se hace referencia al oscilador Royer como "oscilador Bright". En comparación, el nombre "Baxandall" aparece como el primer nombre (de hecho, el único nombre) tanto en la patente como en la publicación inicial.
Nota 1: Compare esto con los circuitos convertidores de potencia que no son "autooscilantes", donde la frecuencia de operación es independiente de los componentes de potencia principales y normalmente está determinada por un circuito de control auxiliar que no está involucrado en ninguna transferencia de potencia entre los puertos de potencia principales del aparato, por ejemplo: un chip de control.