Transformateur flyback

Un transformateur flyback (FBT), également appelé transformateur de sortie de ligne (LOPT), est un type particulier de transformateur électrique. Il a été initialement conçu pour générer des signaux en dents de scie à haute tension à une fréquence relativement élevée. Dans les applications modernes, il est largement utilisé dans les alimentations à découpage pour les alimentations basse (3 V) et haute tension (plus de 10 kV).

Le circuit de transformateur flyback a été inventé comme moyen de contrôler le mouvement horizontal du faisceau d'électrons dans un tube cathodique (CRT). Contrairement aux transformateurs classiques, un transformateur flyback n'est pas alimenté par un signal de la même forme d'onde que le courant de sortie prévu. Un effet secondaire pratique d'un tel transformateur est l'énergie considérable disponible dans son circuit magnétique. Cela peut être exploité en utilisant des enroulements supplémentaires pour fournir de l'énergie pour faire fonctionner d'autres parties de l'équipement. En particulier, des tensions très élevées sont facilement obtenues en utilisant relativement peu de tours d'enroulements qui, après redressement , peuvent fournir une tension d'accélération très élevée pour un tube cathodique. De nombreuses applications plus récentes d'un tel transformateur dispensent de la nécessité de produire des tensions élevées et utilisent le dispositif comme un moyen relativement efficace de produire une large gamme de tensions plus basses en utilisant un transformateur beaucoup plus petit qu'un transformateur secteur classique.

L'enroulement primaire du transformateur flyback est commandé par un commutateur à partir d'une alimentation CC (généralement un transistor ). Lorsque l'interrupteur est activé, l'inductance primaire provoque l'accumulation du courant en rampe. Une diode intégrée connectée en série avec l'enroulement secondaire empêche la formation d'un courant secondaire qui finirait par s'opposer à la rampe de courant primaire.

Lorsque l'interrupteur est désactivé, le courant dans le primaire tombe à zéro. L'énergie stockée dans le noyau magnétique est libérée dans le secondaire lorsque le champ magnétique du noyau s'effondre. La tension dans l'enroulement de sortie augmente très rapidement (généralement moins d'une microseconde) jusqu'à ce que les conditions de charge la limitent. Une fois que la tension atteint un niveau permettant un courant secondaire, le flux de charge ressemble à une rampe descendante.

Le cycle peut alors être répété. Si le courant secondaire est autorisé à chuter complètement à zéro (aucune énergie stockée dans le noyau), on dit alors que le transformateur fonctionne en mode discontinu . Lorsque le courant secondaire est toujours non nul (une certaine énergie est toujours stockée dans le noyau), on parle alors de mode continu . Cette terminologie est notamment utilisée dans les transformateurs d'alimentation.

L'enroulement de sortie basse tension reflète la dent de scie du courant primaire et, par exemple pour les besoins de la télévision, a moins de tours que le primaire, fournissant ainsi un courant plus élevé. Il s'agit d'une forme d'onde en rampe et pulsée qui se répète à la fréquence horizontale (ligne) de l'écran. Le retour (la partie verticale de l'onde en dents de scie) peut être un problème potentiel pour le transformateur de retour si l'énergie n'a nulle part où aller : plus un champ magnétique s'effondre rapidement, plus la tension induite est élevée , qui, si elle n'est pas contrôlée, peut passer sur les bornes du transformateur. La haute fréquence utilisée permet l'utilisation d'un transformateur beaucoup plus petit. Dans les téléviseurs , cette haute fréquence est d'environ 15 kilohertz (15,625 kHz pour PAL, 15,734 kHz pour NTSC ), et les vibrations du noyau du transformateur causées par la magnétostriction peuvent souvent être entendues comme un gémissement aigu. Dans les écrans d'ordinateur à tube cathodique , la fréquence peut varier sur une large plage, d'environ 30 kHz à 150 kHz.

Le transformateur peut être équipé d'enroulements supplémentaires dont le seul but est d'induire une impulsion de tension relativement importante lorsque le champ magnétique s'effondre lorsque l'interrupteur d'entrée est désactivé. Une énergie considérable est stockée dans le champ magnétique, et son couplage via des enroulements supplémentaires l'aide à s'effondrer rapidement et évite la surtension qui pourrait autrement se produire. Le train d'impulsions provenant des enroulements du transformateur flyback est converti en courant continu par un simple redresseur demi-onde . Il n'y a aucun intérêt à utiliser une conception à onde complète car il n'y a pas d'impulsions correspondantes de polarité opposée. Un tour d'enroulement produit souvent des impulsions de plusieurs volts. Dans les conceptions de téléviseurs plus anciennes, le transformateur produisait la haute tension requise pour la tension d'accélération du tube cathodique directement avec la sortie redressée par un simple redresseur. Dans les conceptions plus modernes, le redresseur est remplacé par un multiplicateur de tension . Les téléviseurs couleur doivent également utiliser un régulateur pour contrôler la haute tension. Les premiers téléviseurs utilisaient un régulateur à tube à vide shunt, mais l'introduction des téléviseurs à semi-conducteurs utilisait une résistance plus simple dépendante de la tension. La tension redressée est ensuite utilisée pour alimenter l’ anode finale du tube cathodique.

Il existe souvent des enroulements auxiliaires qui produisent des tensions plus basses pour piloter d'autres parties du circuit de télévision. La tension utilisée pour polariser les diodes varactor dans les tuners modernes est souvent dérivée du transformateur flyback (« Line OutPut Transformer » LOPT). Dans les ensembles de tubes, un enroulement de filament à un ou deux tours est situé sur le côté opposé du noyau en tant que secondaire HT, utilisé pour piloter le chauffage du tube redresseur HT.

Dans les écrans modernes, le LOPT, le multiplicateur de tension et le redresseur sont souvent intégrés dans un seul boîtier sur le circuit imprimé principal. Il y a généralement un fil à isolation épaisse reliant le LOPT à la borne d'anode (recouverte d'un capuchon en caoutchouc) sur le côté du tube cathodique.

L'un des avantages de l'utilisation d'un transformateur à la fréquence flyback est qu'il peut être beaucoup plus petit et plus léger qu'un transformateur comparable fonctionnant à la fréquence du secteur. Un autre avantage est qu'il offre un mécanisme de sécurité : en cas de défaillance du circuit de déviation horizontale, le transformateur flyback cessera de fonctionner et éteindra le reste de l'écran, évitant ainsi la brûlure de l'écran qui résulterait autrement d'un faisceau d'électrons stationnaire.

Le primaire est d'abord enroulé autour d'une tige de ferrite , puis le secondaire est enroulé autour du primaire. Cette disposition minimise l' inductance de fuite du primaire. Enfin, un cadre en ferrite est enroulé autour de l'ensemble primaire/secondaire, fermant les lignes de champ magnétique. Entre la tige et le cadre se trouve un entrefer, ce qui augmente la réluctance . Le secondaire est enroulé couche par couche avec du fil émaillé et un film Mylar entre les couches. De cette façon, les parties du fil avec une tension plus élevée ont plus de matériau diélectrique.

Le transformateur flyback fait fonctionner les appareils à écran cathodique tels que les téléviseurs et les écrans d'ordinateur cathodiques. La tension et la fréquence peuvent varier sur une large échelle, en fonction de l'appareil. Par exemple, un grand téléviseur couleur à écran cathodique peut nécessiter de 20 à 50 kV avec une vitesse de balayage horizontal de 15,734 kHz pour les appareils NTSC et de 15,625 kHz pour les appareils PAL . Contrairement à un transformateur de puissance (ou « secteur »), qui utilise un courant alternatif de 50 ou 60 hertz , un transformateur flyback fonctionne généralement avec des courants commutés à des fréquences beaucoup plus élevées dans la plage de 15 kHz à 50 kHz.