¿Cómo tienen los cargadores de teléfono voltaje de entrada variable con voltaje de salida constante?

Mi comprensión básica es que un transformador puede reducir un voltaje por la relación de los devanados primario y secundario, ya que esta es una relación, la salida no es constante.

Por lo tanto, mi pregunta es, ¿cómo pueden los cargadores como el cargador del teléfono de Apple (una fuente de alimentación con modo Fly-back Switch) tomar una entrada de 100v-240v ~ 50/60 Hz para crear una salida constante de 5v?

Arriba hay un supuesto diagrama de circuito del cargador del teléfono Apple.

¿Es este voltaje de salida constante un efecto del transformador de retorno? (Tengo poca experiencia en fuentes de alimentación de CA a CC) Se agradece cualquier ayuda.

Las modernas fuentes de alimentación de CA-CC realizan la conversión de voltaje en tres pasos. En términos generales, el proceso es el siguiente.

Primero, rectifican la CA en CC, de modo que 100 V CA entran en aproximadamente 140 V CC, y 240 V CA resultan en aproximadamente 340 V CC. Este es el primer paso. Este es el rango de voltajes que está tratando la segunda etapa del convertidor. Y este voltaje tiene ondas horribles a 100-120 Hz.

La segunda etapa es un "chopper" que modula la CC de alto voltaje en pulsos de alta frecuencia, 100 kHz o algo así. Hay un controlador IC que impulsa un par de potentes MOSFET, que están cargados con el devanado primario del transformador de aislamiento. El transformador, como notó debidamente, tiene una relación de devanado fija, por lo que los pulsos de salida tendrían una amplitud variable proporcional a la entrada de CC (que es de 140 a 340 V, sin contar las ondulaciones de la rectificación primaria de 50/60 Hz).

Sin embargo, el chopper también produce estos pulsos de diferente ancho, lo que se llama PWM - Pulse-Width-Modulation. Por lo tanto, la salida del transformador, cuando se rectifica mediante un rectificador de diodo "a mitad de camino" y se alisa con un condensador de salida grande, en promedio puede tener una amplitud variable: los pulsos estrechos hacen que la amplitud promedio sea más baja, y viceversa. Esta es la tercera etapa del convertidor AC-DC.

Entonces, aunque el transformador tiene una relación de devanado fija, el PWM todavía permite cambiar la salida del rectificador en un rango considerable, acomodando así la relación del transformador fijo y el amplio rango de voltaje de entrada, incluidas las ondas de voltaje.

El control final y la estabilización de voltaje se realizan mediante un mecanismo de retroalimentación negativa utilizando optoaisladores lineales. Si el voltaje rectificado es demasiado alto, la retroalimentación hace que el controlador IC produzca pulsos más estrechos, por lo que el voltaje baja y viceversa. Este mecanismo de retroalimentación no solo se ocupa del voltaje, sino que también controla la potencia total entregada en la carga de la fuente de alimentación.

Hay algunos detalles finos sobre cómo los transformadores toleran las formas de onda asimétricas, hay algunos buenos trucos de ingeniería detrás de escena, pero básicamente eso es todo.

Si desea identificar un 'componente' responsable del voltaje de salida constante, entonces es el 'feedback'.

La ruta de avance que incluye el transformador de retorno empuja una cantidad controlable de potencia a la salida. Se mide el voltaje en la salida, y la retroalimentación solicita una cantidad de potencia menor o mayor momento por momento, para mantener el voltaje constante.

La ruta directa está diseñada para poder ejecutarse desde cualquier voltaje en el rango de entrada, lo que requiere un poco de cuidado con el diseño, pero es bastante sencillo.

La forma en que funciona un convertidor flyback es que su voltaje de salida se ajusta a cualquier voltaje que se necesite para entregar la potencia que se le ha pedido que entregue. Puede subir o bajar en una proporción grande, para permitir que coincida con la relación de voltaje de entrada y salida.

El cargador del teléfono tiene que hacer varias cosas además de regular el voltaje. Tiene que convertir CA a CC, reducir el voltaje sustancialmente y proporcionar un aislamiento sustancial entre la entrada y la salida.

Dado que solo nos preocupa la regulación, consideremos un cargador DC-DC "en el automóvil", que acepte DC en un rango de voltaje típicamente amplio, posiblemente hasta 28V, y lo convierta a 5V.

El cargador probablemente usa un transistor de conmutación rápida y un diodo para cambiar rápidamente entre el voltaje de entrada y tierra, luego un filtro LC para suavizar la conmutación y emitir el voltaje promedio. La función de transferencia resultante es Vout = D * Vin, donde D es un ciclo de trabajo PWM. Para voltajes de entrada razonables habrá un valor "D" que produce 5v.

En su forma más simple, D se establece mediante un "amplificador de error" de control que compara Vout con un voltaje de referencia.

En versiones más refinadas, el circuito PWM se modifica para cancelar la influencia de Vin, dos ejemplos de esto son "feedforward" y "modo actual". En el modo actual, el pulso PWM finaliza cuando la corriente en el inductor alcanza un valor. Si el voltaje de entrada es mayor, el valor se alcanza antes, pero la salida no se ve afectada.

Si este diseño DC-DC se "actualiza" para incluir un transformador, entonces ofrece la configuración popular "hacia adelante", que puede ser más compacta y eficiente que el retorno, ya que el transformador puede usar piezas magnéticas optimizadas para el uso del transformador (ferrita) y el inductor Puede utilizar piezas para uso inductor (polvo de hierro).

El "transformador" en un convertidor de retorno no es técnicamente un transformador sino dos inductores acoplados. A diferencia de un transformador, almacena energía magnética en un espacio de aire. El depósito de energía se carga a través de un interruptor (transistor) durante el escaneo y se descarga a través de un diodo durante el retorno. La fuente y la carga nunca se conectan simultáneamente, por lo que la relación de vueltas no se aplica.

En cambio, el ciclo de trabajo, o la relación de encendido / apagado, es lo que importa, ya que el voltaje promedio sobre cualquier inductor debe ser cero. Esta relación se varía fácilmente. El voltaje de salida generalmente está regulado activamente, es decir, estabilizado contra variaciones de carga, por un regulador con retroalimentación.

El convertidor de retorno genera el alto voltaje para una pantalla CRT, haciendo uso del retorno rápido (o retroceso) de la desviación horizontal, de ahí su nombre.

Editar: la relación de vueltas también importa, pero no tanto.