Trafopowielacz (ang.flyback transformer lub ang.line output transformer, skr. LOT/LOPT/FBT)– element elektroniczny stosowany w urządzeniach z kineskopem (CRT), będący częścią układu odchylania poziomego oraz układu wytwarzania bardzo wysokiego napięcia (EHT).
W praktyce trafopowielacz łączy funkcje transformatora impulsowego o wysokim przełożeniu z układem prostowania/„sumowania” impulsów wysokiego napięcia (wewnętrzny prostownik, czasem realizowany jako konstrukcja typu diode-split), a także z wbudowanym dzielnikiem (bleeder) do uzyskania napięć pomocniczych dla kineskopu (np. focus, screen/Vg2).
Jest to hybrydowe połączenie wcześniej stosowanych elementów: transformatora wysokiego napięcia („trafo”) oraz powielacza napięcia. Trafopowielacz spełnia funkcje obu wymienionych elementów. Jego głównym zadaniem jest dostarczenie napięcia odchylania poziomego o częstotliwości 15625 do około 100000 Hz do cewek odchylających oraz napięcia anodowego oznaczanego jako EHT (ang. extra high tension – bardzo wysokie napięcie), ostrości (ang. focus) i jaskrawości (siatka 2, ang. screen) do lampy kineskopowej. Często wytwarzane są dodatkowo napięcia pomocnicze: zasilanie układu odchylania pionowego (+25 do +70 V), zasilanie wzmacniaczy wizji (około 180 do 200 V) oraz napięcie przemienne (potocznie zmienne) żarzenia kineskopu zazwyczaj o wartości 6,3 V. Jednym z ważniejszych wyjść trafopowielacza jest ABL – wyjście pomiaru prądu kineskopu służące do pomiaru jaskrawości i testowania prawidłowej pracy kineskopu (zbyt duży prąd może oznaczać zwarcie kineskopu, za mały – utratę emisji kineskopu). Napięcie anodowe jest za pomocą transformatora i układu powielacza zwiększane do wartości około 25 do 31 kV.
Główne elementy trafopowielacza: rdzeń ferrytowy, karkas – korpus cewki, uzwojenia, prostownik zazwyczaj jednopołówkowy do wysokiego napięcia, bleder – regulator napięcia ostrości i jaskrawości składający się z zestawu rezystorów i dwóch potencjometrów oraz obudowy szczelnie zalanych żywicą epoksydową.
Schemat trafopowielacza (przykład konstrukcji).
Zastosowanie
Trafopowielacze występowały m.in. w:
telewizorach kineskopowych oraz monitorach CRT (komputerowych i telewizyjnych).
starszych kamerach wideo z wizjerami CRT (monochromatycznymi).
Nazewnictwo
W literaturze i dokumentacji serwisowej spotyka się nazwy:
line output transformer (LOT) / line output transformer (LOPT) – podkreślające związek z odchylaniem poziomym (linii).
flyback transformer – nawiązujące do impulsu powrotu (flyback/retrace) w przebiegu odchylania.
W języku polskim funkcjonuje nazwa „trafopowielacz”, akcentująca integrację wytwarzania wysokiego napięcia z elementami prostowania/„powielania” (zależnie od konstrukcji: zewnętrzny powielacz lub rozwiązanie diode-split).
Funkcje
Głównymi zadaniami trafopowielacza w odbiornikach CRT są:
udział w wytworzeniu impulsów energii dla odchylania poziomego (wraz z tranzystorem/stopniem odchylania i obciążeniem w postaci cewek).
wytworzenie bardzo wysokiego napięcia anodowego (EHT, ang.extra high tension) rzędu dziesiątek kilowoltów dla kineskopu oraz napięć pomocniczych (focus, screen/Vg2).
dostarczenie napięć pomocniczych pobieranych z uzwojeń wtórnych (np. dla wzmacniaczy wizji czy zasilania innych bloków).
w wielu konstrukcjach: wyprowadzenie sygnałów kontroli prądu wiązki (ABL – ang.automatic beam limiting) do ograniczania jaskrawości i ochrony układu wysokiego napięcia.
Zasada działania
Trafopowielacz pracuje impulsowo w stopniu odchylania poziomego: w fazie „skanu” energia jest magazynowana w indukcyjnościach układu, natomiast w fazie powrotu (flyback) powstaje krótkotrwały impuls wysokiego napięcia, wykorzystywany do uzyskania EHT przez prostowanie i filtrację. W konstrukcjach typu „diode-split transformer” EHT uzyskuje się przez prostowanie i sumowanie impulsów napięcia rozwijających się na kilku sekcjach uzwojeń wtórnych w czasie flyback (bez klasycznych, dyskretnych kondensatorów jak w typowych powielaczach), przy istotnym wpływie pojemności pasożytniczych uzwojeń.
uzwojenie pierwotne (współpracujące ze stopniem odchylania) oraz wiele uzwojeń wtórnych, w tym „overwind” wysokiego napięcia dla EHT.
zintegrowane elementy wysokiego napięcia: diody (często jako stos/„stack”) oraz – zależnie od wersji – elementy wygładzania (np. wbudowany kondensator EHT).
wbudowany dzielnik rezystorowy (bleeder) z potencjometrami regulacji focus i screen/Vg2 (siatka 2).
Całość jest zwykle zalewana i hermetyzowana żywicą (potting), co ogranicza wyładowania koronowe i przebicia w powietrzu oraz poprawia trwałość izolacji.
Odmiany konstrukcyjne
W odbiornikach CRT spotykano m.in.:
transformator linii + zewnętrzny powielacz (np. tripler) – gdzie z uzwojenia EHT (overwind) zasilany jest osobny moduł powielacza (łańcuch kondensatorów i diod).
diode-split transformer (DST) – gdzie funkcje prostowania i „sumowania” impulsów są zintegrowane w samym trafopowielaczu (sekcjonowane uzwojenia i diody), z inną charakterystyką strat i obciążeń niż w układach doubler/tripler.
W literaturze opisuje się także różne techniki nawijania części wysokiego napięcia (m.in. warstwowe i „slot-wound”), wpływające na pojemności międzyswojowe i obciążenia dynamiczne diod wysokiego napięcia.
Parametry typowe
Częstotliwość pracy odpowiada częstotliwości odchylania poziomego:
ok. 15625Hz w systemach 625-liniowych (PAL/SECAM).
w monitorach komputerowych – wyższa (zależnie od trybu pracy), a wybrane konstrukcje LOT opisywano jako zdolne do pracy do ok. 85kHz.
Napięcie EHT w typowych odbiornikach kolorowych CRT mieściło się rzędu 20–30kV (zależnie od przekątnej kineskopu i geometrii), a w przykładach projektowych spotykano warunki rzędu 25kV przy ok. 16kHz. Z uzwojeń pomocniczych często pozyskuje się także napięcia zasilające inne bloki oraz (w części konstrukcji) napięcie żarzenia kineskopu, które może wymagać określonego sposobu uzyskania ze względu na zależność od warunków pracy układu odchylania.
Diagnostyka i typowe usterki
Do częstych przyczyn problemów w torze odchylania poziomego i EHT zalicza się m.in. przebicia izolacji uzwojeń (przeskoki/łuk elektryczny), zwarcia międzyzwojowe, uszkodzenia wbudowanych prostowników wysokiego napięcia, a także pęknięcia i degradację masy zalewowej prowadzące do wyładowań koronowych i „strzelania” wysokiego napięcia. W materiałach serwisowych opisywano również przypadki zwarcia pomiędzy uzwojeniami transformatora linii jako przyczynę nienormalnego obciążenia stopnia linii i zaniku obrazu (braku EHT).
Porównanie z klasycznym powielaczem napięcia
układ transformatora i powielacza jako oddzielnych elementów
W urządzeniach z kineskopem napięcie anodowe (EHT) uzyskiwano z impulsów wysokiego napięcia generowanych w układzie odchylania poziomego (flyback) i następnie prostowanych oraz filtrowanych.
Układ z osobnym powielaczem napięcia (tripler)
W jednym z najczęściej spotykanych rozwiązań transformator odchylania (transformator linii) miał uzwojenie wtórne dostarczające impulsy rzędu ok. 8kV, które zasilały zewnętrzny moduł powielacza (zwykle potrajacz), podnoszący napięcie do ok. 25kV. Moduły powielaczy wykonywano jako elementy zalewane (enkapsulowane), pierwotnie jako zestawy diod i kondensatorów, a w nowszych wersjach jako warstwowe „stosowe” struktury kondensatorów z wbudowanymi diodami pomiędzy warstwami.
Trafopowielacz (transformator typu diode-split)
Drugie popularne rozwiązanie integrowało cały generator EHT w samym transformatorze linii: stosowano kilka jednowarstwowych uzwojeń wtórnych wraz z diodami prostującymi, które ładują pojemności międzysystemowe (międzywarstwowe) uzwojeń, tworząc rozproszony układ powielacza. W takim układzie napięcie stałe wyjściowe jest sumą napięć wyprostowanych w kolejnych sekcjach, a napięcia na diodach są „z natury” wyrównane (stałe i równe). Dla EHT rzędu 25kV opisywano konstrukcję z czterema warstwami wtórnymi i czterema diodami, gdzie każda sekcja przenosi impuls szczytowy rzędu ok. 6,25kV, a diody są integralną częścią transformatora. W literaturze serwisowej podkreślano, że w konstrukcjach diode-split diody znajdują się wewnątrz transformatora, a uzwojenia zapewniają wymaganą pojemność układu powielacza.
Dlaczego zastosowano taką konstrukcję
Oba podejścia (zewnętrzny tripler oraz diode-split) były rozwijane m.in. po to, aby uniknąć bezpośredniego prostowania bardzo wysokiego napięcia przemiennego (o dużej amplitudzie), które utrudnia izolację i może prowadzić do problemów związanych z promieniowaniem oraz wyładowaniami. W praktyce diode-split redukował liczbę zewnętrznych elementów wysokiego napięcia i połączeń HV, przenosząc krytyczne części (diody i „kondensatory” wynikające z pojemności uzwojeń) do zalewanego bloku transformatora. W wielu odbiornikach sygnał ograniczania prądu wiązki (beam current limiting, ABL) pozyskiwano jako spadek napięcia na rezystorze włączonym szeregowo w „uziemionym” końcu sekcji EHT, co opisywano jako typowe wejście dla układów ograniczania obciążenia zasilacza EHT.
Pojawienie się, upowszechnienie i wyjście z użycia
W prasie serwisowej z końca lat 70. wskazywano, że jedną z istotnych różnic pomiędzy blisko spokrewnionymi podwoziami (chassis) bywa zastosowanie osobnego triplera zamiast transformatora linii typu diode-split, co potwierdza obecność i równoległe stosowanie obu podejść w praktyce konstrukcyjnej tego okresu. Na początku lat 80. transformator linii „of the diode-split variety” był już opisywany w kontekście praktyki napraw i diagnostyki jako rozpoznawalny wariant konstrukcyjny. W drugiej połowie lat 80. opisywano diode-split jako rozwiązanie szybko zastępujące osobne bloki tripler w odbiornikach kolorowych.
Trafopowielacze wyszły z masowego użycia wraz z zanikiem rynku urządzeń kineskopowych: według danych DisplaySearch przytaczanych przez EE Times, już w III kwartale 2004 r. monitory LCD wyprzedziły CRT pod względem liczby dostaw (shipments). W segmencie telewizorów DisplaySearch raportował (wg relacji The Register), że w IV kwartale 2007 r. sprzedaż LCD TV po raz pierwszy przewyższyła sprzedaż telewizorów CRT w skali globalnej. Amerykańska EPA wskazuje, że popyt na nowe CRT „załamał się” na rzecz technologii płaskich, co zmieniło również ekonomikę i logistykę zagospodarowania szkła CRT (m.in. narastające składowanie). Dodatkowo EPA podkreśla obecność ołowiu w szkle leja (funnel glass) i wynikające z tego reżimy regulacyjne dla CRT przeznaczonych do utylizacji, co było jednym z praktycznych czynników zwiększających koszt obsługi technologii CRT w schyłkowym okresie jej stosowania.
Uzwojenie EHT (ok. 8kV impulsów) zasila zewnętrzny moduł tripler, który podnosi napięcie do ok. 25kV.
Sekcjonowane uzwojenia wtórne + wbudowane diody ładują pojemności międzysystemowe; napięcie wyjściowe jest sumą napięć z sekcji.
Elementy HV poza transformatorem
Osobny moduł tripler (diody + kondensatory) oraz dodatkowe połączenia HV między transformatorem a modułem.
Brak osobnego modułu; diody znajdują się w transformatorze, a wymagana pojemność jest zapewniana przez uzwojenia; mniej zewnętrznych połączeń HV.
Obciążenie diod i rozkład napięć
W triplerze rozkład napięć i obciążeń wynika z konstrukcji modułu; opisywano przejście od elementów dyskretnych do warstwowych stosów kondensatorów z wbudowanymi diodami.
Napięcia na diodach są z założenia wyrównane (stałe i równe), a napięcie cząstkowe na sekcję jest niższe (np. 4 sekcje po ~6,25kV dla 25kV).
Typowy serwis
Często możliwa wymiana samego triplera; serwisowo opisywano diagnostykę łańcucha powielacza i jego elementów.
W praktyce najczęściej wymienia się cały LOPT/FBT (zalewany blok), bo elementy HV są integralne i nienaprawialne metodami serwisowymi.
Trend w epoce CRT
Szeroko spotykane w konstrukcjach z lat 70. i części lat 80.; w dokumentacji porównywano chassis wykorzystujące osobny tripler zamiast LOPT diode-split.
W drugiej połowie lat 80. opisywane jako rozwiązanie szybko zastępujące osobne bloki tripler.
Wyjście z użycia i następstwo
Oba rozwiązania zanikły wraz z odejściem rynku od wyświetlaczy CRT na rzecz technologii płaskich (LCD i inne), które nie wymagają generatora EHT ani odchylania wiązki elektronów w kineskopie.
