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Dispositivos transformadores especializados.

Inversores de núcleo saturable. Otra forma de utilizar los transformadores

La utilización de transformadores especiales en  inversores de corriente continua a corriente alterna es ampliamente conocida. Un número de tales circuitos utilizan un par de transistores de conmutación trabajando en tándem, con un que se satura alternativamente en un sentido y luego en otro. Debido a la amplificación proporcionada por los transistores y la característica de conmutación de flujo del transformador asociado, la fuente de corriente continua es convertida en potencia de corriente alterna, en otras palabras, tenemos un oscilador, pero no del tipo LC, LR o RC.

Esto puede parecer bastante sencillo, pero en un tiempo tal esquema habría sido rechazado por los ingenieros eléctricos. Por un lado, pérdidas muy grandes habrían sido anticipadas si el principio hubiera sido puesto a trabajar con válvulas electrónicas. Principalmente, sin embargo, el concepto de conducir deliberadamente un transformador de núcleo fuertemente hacia sus regiones de saturación magnética era exactamente lo contrario a la filosofía de diseño expuesta en los libros de texto. Ya se lamentaban por la pérdida de histéresis resultante de la operación de los transformadores en su  región "lineal", al extender las excursiones del flujo en las regiones de saturación (pasado la "rodilla" de la curva de magnetización) seguramente iba a aumentar astronómicamente las pérdidas en el núcleo. Esto se esperaba que ocurra como una consecuencia tanto de la histéresis como de las pérdidas por corrientes de Foucault. A pesar de esto, los convertidores de frecuencia de núcleo saturable modernos operan en más de 90% de eficiencia general - es decir, incluidas las pérdidas del transistor.

¿Cómo se logró esto? Los factores principales son los siguientes:

1. Fueron desarrollados materiales de núcleo magnético (tales como ferritas) exhibiendo estrechos lazos rectangulares de histéresis. Debido a que la disipación de histéresis es proporcional al área encerrada por la curva de histéresis, los lazos estrechos reducen en gran medida la pérdida de histéresis. Además, la transición brusca en la saturación reduce el tiempo empleado en áreas de pérdida de funcionamiento.

2. Los nuevos materiales magnéticos (de nuevo, en su mayoría ferritas) exhiben un alto volumen de resistividad. Esto en gran medida reduce las pérdidas por corrientes parásitas. Al mismo tiempo, se elimina la necesidad de laminaciones del núcleo que tienden para impedir la plena utilización de los materiales de transformadores.

3. Transistores robustos de alta velocidad se han desarrollado, los que pueden ser controlados a fin de producir una mínima caída de tensión en el estado de conducción. Cuando están el estado de no conducción, se ha encontrado que estos transistores actúan en forma muy similar a interruptores abiertos.

4. La evolución de los transistores de potencia de germanio a los dispositivos de silicio han permitido una mayor tolerancia a la temperatura de funcionamiento. Por otra parte, los aspectos prácticos de la tecnología del inversor se prestan bien a las técnicas de eliminación del calor,  los disipadores dedicados y el hardware térmico se han vuelto fácilmente disponibles. El máximo efecto de enfriamiento se puede alcanzar a partir de la eliminación de calor por radiación,  conducción, y convección.

Un inversor típico de núcleo saturable se muestra en la figura. . Este circuito especial permite que los transistores sean montados sobre un chasis de metal o sobre disipadores térmicos,  sin aislación de arandelas o juntas. Esto es tanto térmica y eléctricamente deseable y es la característica atractiva de este circuito de colector conectado a tierra. Las configuraciones de circuitos que usan  el emisor conectado a tierra, o bases conectadas a tierra también se utilizan, pero están en desventaja térmica debido a la resistencia térmica del hardware aislante.

El transformador que se muestra en la figura  no es fiel a la realidad con respecto a la separación física de los devanados. Ambos devanados deben estar muy juntos entre sí con el fin de minimizar la inductancia de fuga. Por la misma razón, es generalmente mejor que ambos devanados ocupen la mayor parte del núcleo toroidal. La inductancia de fuga se manifiesta como 'picos' en la forma de  onda de voltaje. No sólo estos picos representan un desperdicio de energía, sino que tienden a ser una las principales causas de fallas del transistor. Esto es debido a que las tensiones máximas de los picos penetran en las áreas operativas de seguridad especificadas para los transistores. La inductancia de fuga también podría causar daños debido a oscilaciones espurias.

Figura 1 Un inversor típico basado en un transformador saturado. En este circuito, el tipo de auto transformador bobinado proporciona una retroalimentación positiva a las bases de los transistores. El inicio de la saturación del núcleo alternativamente priva a un transistor, después al otro de tal retroalimentación de corriente, lo que resulta en una oscilación sostenida.

Diversas técnicas de amortiguamiento y absorción de energía  se emplean para atenuar la energía de estos picos, pero cuanto menos energía sea absorbida, menos incursión se hace en la eficiencia operativa. Es mucho mejor comenzar con un transformador estrechamente acoplado que incorpore un buen circuito magnético.

El lazo de histéresis del núcleo se muestra en la figura. 2, que resalta los eventos importantes de conmutación del inversor. En un sentido, parece que el transformador es el dispositivo activo responsable de generar la acción el circuito cíclico. Aunque el transformador es únicamente usado, debe ser adecuadamente reconocido como un dispositivo pasivo. Como tal, su función es  determinar la frecuencia de oscilación en forma similar a como lo hacen los tanques resonantes LC  en otros circuitos. La amplificación de potencia requerida proviene de los transistores.

Vamos ahora a seguir las interacciones entre los transistores de conmutación y el núcleo del transformador para un ciclo de oscilación: Supongamos que el transistor Q1 se ha encendido. Como resultado, hay una corriente rápidamente creciente CT del devanado principal y el emisor de Q1. Esta corriente creciente induce dos tensiones importantes. Uno de estos voltajes  polariza a Q1 hacia la conducción total, lo que refuerza su estado activo. El otro voltaje inducido polariza en forma inversa a Q2, reforzando su estado desactivado o no conducción.

La porción del devanado que transporta la corriente demandada por Q1 provoca en última instancia la saturación abrupta del núcleo. La inducción electromagnética anteriormente mencionada ya no puede tener lugar. Sin embargo, no cesa inmediatamente debido a la energía almacenada en el núcleo y el estado conductivo de los transistores persiste durante un tiempo. En última instancia, sin embargo, el colapso del campo magnético aumenta la velocidad y polarizaciones opuestas se aplican a los transistores, invirtiendo sus estados de conducción. Q1 queda ahora desconectado y Q2 está activo con conducción plena.

Figura 2. Secuencia de eventos magnéticos en el núcleo  saturado del transformador. La conducción de los transistores resulta de la polarización directa desarrollada en devanados apropiados de realimentación. Siempre que el núcleo entra en saturación, el cambio del valor de flujo cae a un valor bajo y uno de los transistores pierde su polarización directa. Debido al contenido de energía en el núcleo, esto hace que un transistor no pueda apagarse inmediatamente, pero tan pronto como su polarización directa se agote, una conmutación regenerativa tiene lugar, lo que activa el otro transistor. El ciclo es repetitivo.

Una secuencia similar de eventos se efectúa para la mitad restante del ciclo de oscilación. Los transistores opuestos y de polarización contraria activan los  amperios del transformador nuevamente llevando el núcleo a la saturación, pero en el sentido magnético opuesto como antes. De esta manera, una oscilación sostenida se lleva a cabo con los transistores continuamente alternando sus estados conductores. Notese que las transiciones de conmutación son regenerativas, con los cambios reforzándose a sí mismos. Debido a esto, ondas cuadradas pueden incluso  obtenerse a partir de un transformador de acero de 50/60 Hz con su lazo de histéresis en pendiente. (La eficiencia es mayor, sin embargo, con material magnético de “lazo cuadrado”.)

Los devanados de realimentación en los transformadores inversores generalmente requieren alguna optimización experimental. Un procedimiento de prueba consiste en diseñarlos para alrededor de 5V. Esto permite un valor razonable de resistencia de limitación de corriente a ser utilizada. Es necesario sobre polarizar a los transistores de conmutación de modo que estén bien saturados mientras conducen. Al mismo tiempo, demasiada corriente de base agita la producción picos y contribuye a las pérdidas I2R del circuito. Obviamente, existe cierta interacción entre el número de vueltas de realimentación y el valor de la resistencia de limitación de corriente. Si se usan demasiadas vueltas de retroalimentación, la pérdida de potencia por una mayor resistencia de limitación de corriente se hará sentir por una caída en la eficiencia operativa.

A fin de garantizar un arranque confiable,  es una práctica común proporcionar  una pequeña de polarización directa a sólo uno de los transistores. Una alta resistencia experimental suele conseguir el truco. El exceso de polarización directa no es deseable, ya que los transistores  funcionarán en frío si la oscilación es detenida por un cortocircuito en el circuito de carga. Esta resistencia de polarización puede ser vista como asociada con los transistores superiores en los dos circuitos inversores.

Las densidades de flujo de saturación de algunos materiales magnéticos metálicos se listan en la Tabla 1. Se incluye el acero al silicio del tipo utilizado habitualmente en transformadores de frecuencia utilitaria. Resultados razonablemente buenos se pueden así conseguir dentro de las frecuencias más bajas de audio. A frecuencias más altas, tanto la histéresis como pérdidas por corrientes parásitas de núcleo erosionar seriamente la eficiencia operativa. La característica obligatoria del uso de este material magnético es, por supuesto, su disponibilidad generalizada. (Una interesante reflexión sobre la naturaleza del inversor de núcleo saturable es que sería inútil pensar en una versión de núcleo de aire para la operación a frecuencias de radio – la saturación magnética del aire no se ha observado todavía).

 

Tabla 1. Densidades de flujo de saturación para diversos materiales de núcleo
Material de núcleo

Densidad de densidad de flujo en kilogauss (Miles de líneas / cm². *)

Acero de transformador de potencia de 60-Hz
16-20
Hipersil, Siletcron, Corosil, Trance
19,6
Deltamax, Orthonol, Permenorm
15,5
Permalloy
13,7
Mollypermalloy
8,7
Mumetal 6,6

* Al utilizar estos valores BS, asegúrese de que el área A del núcleo, se expresa en centímetros cuadrados.

Los Maxwells (líneas por pulgada cuadrada) pueden ser obtenidos multiplicando los valores de BS por el factor de conversión, 6,25. No se incluye en la tabla son materiales de la familia de la ferrita. Estos generalmente se saturan a densidades de flujo más bajas. Tal núcleos de ferrita merecen consideración a varios kHz y frecuencias superiores.

Las permutaciones algebraicas de la ecuación de diseño para el transformadores inversores de núcleo saturable son como sigue:

donde N  es el número de vueltas desde la toma central (CT) a la primera  toma en el devanado principal. (El  “devanado principal " es el primario en los circuitos inversores de transformador único, es el secundario del transformador saturado pequeño de los inversores en dos transformadores.)

N / E representa vueltas por voltio.

E es el voltaje aplicado a la porción N-vuelta de la bobina principal; en la práctica, es generalmente aceptable el uso de la alimentación de voltaje de tensión continua de alimentación para E.

f es la frecuencia de oscilación en Hz.

Bs es la densidad de flujo de saturación del material del núcleo. Algunas conjeturas puede estar involucradas aquí, en particular con transformador de acero de 50/60 Hz.

A es el área de la sección transversal del núcleo. (A se expresa en centímetros cuadrados si Bs se expresa en Gauss. A se expresa en pulgadas cuadradas si Bs es expresado en Maxwells.)

Los mejores inversores de núcleo saturables emplean dos transformadores. Aún así,  el costo añadido y la complejidad es muy ligera porque uno de los transformadores es pequeño y opera a un nivel de potencia relativamente bajo. Un circuito típico de tal inversor de dos transformadores se muestra en la figura. 3. Sólo uno de los transformadores satura - el pequeño controla las bases de los transistores. El otro transformador entrega una potencia de salida de onda cuadrada, pero es "convencional" ya que su operación se limita a sus características magnéticas lineales. El principio de funcionamiento sigue siendo esencialmente la de convertidor de transformador único con sincronización de la acción de conmutación, ahora regida por la aparición de la saturación magnética del transformador pequeño.

Este tipo de circuito inversor tiende a ser más eficiente, se comporta mejor y es más fácil de experimentar con las configuraciones de un solo transformador. La supresión de picos es probable que sea más sencilla, puesto que estos transitorios se originan ahora en una sección de potencia inferior del circuito. Si un circuito experimental basado en el esquema representado en la figura  3 dejara de producir las oscilaciones esperadas, sería razonable sospechar de una retroalimentación negativa inadvertida, en lugar de la positiva necesaria. En tal situación, las puntas tanto a la bobina de regeneración en el transformador lineal como al devanado primario del transformador de núcleo saturable deben ser cambiadas.

Figura 3. Circuito de inversor de dos transformadores de núcleo saturando. Este es un oscilador e forma más eficiente que el circuito de solo transformador. En esta disposición, el  transformador de saturación (T1), es físicamente mas pequeño y funciona a un nivel de potencia relativamente baja. Por lo tanto, contribuye mínimamente a las pérdidas totales. El transformador lineal (T2} está diseñado para evitar la saturación del núcleo y por lo tanto incurre en bajas pérdidas de histéresis y corrientes parásitas. Debido a estos hechos, ambos transformadores se pueden hacer de laminaciones E-I de 50/60 Hz de acero de transformador y todavía operar de manera eficiente.

El diseño de un inversor de núcleo saturable satisfactorio es un reto interesante tanto teórico como de habilidades empíricas. Algunos parámetros de ejecución deseados tienden a ser contradictorios en naturaleza. El inversor debe ser de arranque automático fiable a plena carga bajo un amplio rango de temperaturas. Al poner en cortocircuito la salida se debe detener la oscilación, lo que permite a los transistores operar indefinidamente cerca de consumo de corriente de reposo. Nada en condiciones normales de uso debería provocar oscilaciones parásitas ya sea de alta o baja frecuencia. Un suministro de energía de buena tensión regulada de corriente continua se debe utilizar en el interés de la estabilidad de frecuencia.

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