Как зарядные устройства телефона имеют переменное входное напряжение с постоянным выходным напряжением?

Мое основное понимание состоит в том, что трансформатор может понизить напряжение на соотношение первичной и вторичной обмоток, так как это соотношение, выходное напряжение которого не является постоянным.

Таким образом, мой вопрос заключается в том, как зарядные устройства, такие как зарядное устройство для яблочного телефона (источник питания с переключателем Fly-back), могут использовать вход от 100 до 240 В ~ 50/60 Гц для создания постоянного выхода 5 В?

Выше приведена предполагаемая принципиальная схема зарядного устройства для телефона Apple.

Является ли это постоянное выходное напряжение эффектом обратного трансформатора? (У меня мало опыта в источниках питания переменного тока в постоянный). Любая помощь приветствуется.

Современные источники переменного и постоянного тока выполняют преобразование напряжения в три этапа. Грубо говоря, процесс выглядит следующим образом.

Во-первых, они выпрямляют переменный ток в постоянный ток, поэтому 100 В переменного тока поступает примерно в 140 В постоянного тока, а 240 В переменного тока дает примерно 340 В постоянного тока. Это первый шаг. Это тот диапазон напряжений, с которым имеет дело вторая ступень преобразователя. И это напряжение имеет ужасную рябь при 100-120 Гц.

Вторая ступень - это «прерыватель», который модулирует постоянный ток высокого напряжения в высокочастотные импульсы, 100 кГц или что-то в этом роде. Существует ИС контроллера, которая управляет парой мощных полевых МОП-транзисторов, которые загружены первичной обмоткой изолирующего трансформатора. Как вы должным образом заметили, трансформатор имеет фиксированный коэффициент намотки, поэтому выходные импульсы будут иметь переменную амплитуду, пропорциональную входному постоянному току (который составляет от 140 до 340 В, не считая пульсации от первичного выпрямления 50/60 Гц).

Однако прерыватель также генерирует эти импульсы различной ширины, что называется ШИМ - Pulse-Width-Modulation. Таким образом, выходной сигнал трансформатора при выпрямлении «полупериодным» диодным выпрямителем и сглаживании с большим выходным конденсатором в среднем может иметь переменную амплитуду: узкие импульсы уменьшают среднюю амплитуду, и наоборот. Это третья ступень преобразователя переменного тока в постоянный.

Таким образом, несмотря на то, что трансформатор имеет фиксированный коэффициент намотки, ШИМ все же позволяет изменять выходную мощность выпрямителя в значительном диапазоне, обеспечивая таким образом фиксированный коэффициент трансформатора и широкий диапазон входного напряжения, включая пульсации напряжения.

Окончательный контроль и стабилизация напряжения осуществляется через механизм отрицательной обратной связи с использованием линейных оптоизоляторов. Если выпрямленное напряжение становится слишком высоким, обратная связь заставляет ИС контроллера генерировать более узкие импульсы, поэтому напряжение снижается, и наоборот. Этот механизм обратной связи не только заботится о напряжении, но и контролирует общую мощность, подаваемую на нагрузку блока питания.

Есть некоторые тонкие детали того, как трансформаторы переносят асимметричные сигналы, есть некоторые тонкие инженерные уловки, но в основном это все.

Если вы хотите идентифицировать один «компонент», который отвечает за постоянное выходное напряжение, то это «обратная связь».

Прямой путь, который включает в себя трансформатор обратного хода, подает контролируемое количество энергии на выход. Напряжение на выходе измеряется, и обратная связь запрашивает меньшую или большую величину мощности момент за моментом, чтобы поддерживать постоянное напряжение.

Прямой путь предназначен для работы с любым напряжением во входном диапазоне, который требует некоторой осторожности при проектировании, но довольно прост.

Принцип работы обратного преобразователя состоит в том, что его выходное напряжение регулируется в соответствии с тем напряжением, которое необходимо для доставки мощности, которую он запрашивал. Он может увеличиваться или уменьшаться в большом соотношении, чтобы соответствовать соотношению входного и выходного напряжения.

Зарядное устройство телефона должно делать несколько вещей в дополнение к регулированию напряжения. Он должен преобразовывать переменный ток в постоянный, существенно понижать напряжение и обеспечивать существенную изоляцию между входом и выходом.

Поскольку мы занимаемся только регулированием, давайте вместо этого рассмотрим постоянное зарядное устройство «в автомобиле», которое принимает постоянный ток в обычно широком диапазоне напряжений, возможно, до 28 В, и преобразует его в 5 В.

Зарядное устройство, вероятно, использует быстродействующий транзистор и диод для быстрого переключения между входным напряжением и землей, а затем LC-фильтр для сглаживания переключения и вывода среднего напряжения. Результирующая передаточная функция Vout = D * Vin, где D - рабочий цикл ШИМ. Для разумных входных напряжений будет значение "D", которое дает 5v.

В своей простейшей форме D задается управляющим «усилителем ошибки», сравнивающим Vout с опорным напряжением.

В более усовершенствованных версиях схема ШИМ модифицирована для устранения влияния Vin, двумя примерами этого являются «прямая связь» и «текущий режим». В токовом режиме импульс ШИМ заканчивается, когда ток в индукторе достигает значения. Если входное напряжение выше, значение достигается раньше, но на выход это практически не влияет.

Если эта конструкция DC-DC «модернизирована» для включения трансформатора, то она дает популярную «прямую» конфигурацию, которая может быть более компактной и эффективной, чем обратная связь, поскольку в трансформаторе могут использоваться магнитные детали, оптимизированные для использования трансформатора (ферриты), и индуктор. можно использовать детали для индуктора (железный порошок).

«Трансформатор» в обратном преобразователе технически не трансформатор, а два связанных индуктора. В отличие от трансформатора он сохраняет магнитную энергию в воздушном зазоре. Накопитель энергии заряжается через переключатель (транзистор) во время сканирования и разряжается через диод во время обратной связи. Источник и нагрузка никогда не соединяются одновременно, и поэтому соотношение витков не применяется.

Вместо этого имеет значение рабочий цикл или отношение включения / выключения, поскольку среднее напряжение на любом индукторе должно быть равно нулю. Это соотношение легко варьируется. Выходное напряжение обычно активно регулируется, то есть стабилизируется от колебаний нагрузки, с помощью регулятора с обратной связью.

Преобразователь обратного хода генерирует высокое напряжение для ЭЛТ-дисплея, используя быстрый обратный ход (или обратный ход) горизонтального отклонения, отсюда и его название.

Изменить: соотношение поворотов тоже имеет значение, но не так много.