Abrí uno de mis cargadores de teléfono y estaba tratando de entender cómo funciona ... Encontré IC MB6F justo en la entrada de CA que resultó ser un puente rectificador.
Mi pregunta es ¿por qué AC se rectifica primero en lugar de reducirlo con transformadores? Como descender en CC con un convertidor reductor no sería tan eficiente como con los transformadores, ¿por qué se elige este camino?
El volumen para un núcleo, necesario para admitir a los webers, es este:
$$ \ left (volumen = l_e \ cdot A_c \ right) \ ge \ frac {\ mu_0 \: \ mu_r \: I_ {peak}} {B_ {max} ^ {\: 2}} \ int H \: ~ \ textrm {d} B $$
\ $ l_e \ $ es la longitud de ruta magnética requerida y \ $ A_c \ $ es el área de la sección transversal del núcleo. En el caso de una onda sinusoidal, el último factor anterior, para un semiciclo de voltaje aplicado, es:
$$ \ int H \: ~ \ textrm {d} B = V_0 \ int_0 ^ {\ frac {\ pi} {\ omega}} \ textrm {sin} \ left (\ omega t \ right) \: \ textrm {d} t = \ frac {2 \: V_0} {\ omega} = \ frac {\ sqrt {2} ~ V_ {RMS}} {\ pi \: f} $$
Para 60 Hz y \ $ V_ {RMS} = 120 \: \ textrm {V} \ $, obtienes aproximadamente \ $ 0.9 \: \ textrm {V} \ cdot \ textrm {s} \ $, que es enorme .
Supongamos que quería \ $ 10 \: \ textrm {W} \ $. Entonces \ $ I_ {peak} \ approx 120 \: \ textrm {mA} \ $. La densidad de flujo de los núcleos de hierro probablemente no debe exceder alrededor de 1.5 Tesla (aunque podríamos ver varios materiales y obtener un rango de números aquí). \ $ \ Mu_r \ approx 1000 \ $ para el hierro. Entonces, esto sugiere aproximadamente \ $ 60 \: \ textrm {cm} ^ 3 \ $ de volumen para el núcleo, o en el área de aproximadamente 1 libra de peso. Esto es aproximadamente el doble del peso que se usa como una guía aproximada para los transformadores de potencia, pero está en el estadio correcto. (Usando otra figura que he visto para acero CRGO, 1.9 Tesla, el peso cae en el rango de expectativas normal ).
Tenga en cuenta que la alta permeabilidad no le ayuda en lo más mínimo. Mira la ecuación de arriba. ¡Ese término, \ $ \ mu_r \ $, está en el numerador! Si lo aumenta, todo lo que hace es aumentar el volumen necesario. La razón es que necesita vacío para almacenar energía. No importa. Por lo tanto, más permeabilidad simplemente significa menos espacio de vacío efectivo en la red de materia sólida y, por lo tanto, solo necesitas más materia allí. La alta permeabilidad aquí es acerca de contener las líneas de flujo y proporcionar un buen acoplamiento magnético. La inductancia viene para el viaje, también.
Las bajas frecuencias solo significan grandes voltios-segundos y, por lo tanto, grandes núcleos. Por lo tanto, "hierro pesado". Simplemente va con el territorio.
Cuando era niño, mi padre solía enseñarme un par de fórmulas sencillas de "regla de oro" de diseño de transformador con núcleo de hierro. 45 / s giros por voltio, y P = s ^ 2, donde s = cuadrado de la columna central del núcleo de hierro EI en cm ^ 2. Es decir. la energía eléctrica disponible crece con la cuarta potencia del "grosor" del núcleo :-) Y, tenga en cuenta que los potentes vatios hacen que tenga un número extremadamente alto de cables muy finos ... mucha resistencia en serie.
Mi comprensión ingenua es que para que el transformador no aspire / desperdicie energía cuando está descargado / abierto, necesita que el transformador tenga una inductancia suficientemente alta para un voltaje primario determinado (medido con un circuito abierto). terminado secundario). Nuevamente para núcleos pequeños, esto se traduce en un alto número de vueltas de alambre fino.
Si los pequeños transformadores con núcleo de hierro fueran más eficientes que los conmutadores de vataje similares, las regulaciones legales sobre el consumo de energía en modo de espera en la electrónica de consumo harían que las cosas con núcleo de hierro fueran omnipresentes. La realidad es que solo los conmutadores se pueden hacer con una eficiencia lo suficientemente buena en los pequeños factores de forma (con un consumo de energía inactivo próximo a cero).
Esto no quiere decir que todos los conmutadores sean elegantes, estables y eficientes. Por ejemplo, algunos de los súper sexy cargadores Nokia ligeros y pequeños (accesorio estándar de fábrica) contenían el conmutador más minimalista que he visto: un "transistor" de tres patas auto-oscilante en los elementos primarios, baratos, sin filtrado , ¡sin realimentación! Como era de esperar, esos cargadores son energéticamente ineficientes, la regulación bajo carga es muy pobre (en comparación con un vataje similar pequeño trafo de núcleo de hierro) y realmente no comprobé el EMI.
Algunas verrugas de pared ligeramente más grandes (conmutadores) ya tienen una respuesta adecuada (a través de un optoacoplador) y algunos filtros mínimos, pero son bastante ineficientes (se calientan). Lo mismo con los adaptadores de portátiles que no son del mercado de accesorios.
Recientemente me han sorprendido los adaptadores para portátiles Lenovo de la generación actual (con el enchufe rectangular amarillo). ¡Este pequeño adaptador de "plástico" funciona perfectamente! Increíble, en comparación con algunos adaptadores para portátiles que tenía en el pasado. Me arriesgaría a adivinar los transistores TrenchFET / FinFET modernos y la rectificación de sincronización en el lado secundario.
Parece que estás asumiendo que podrían hacer algo como esto:
Pero normalmente desea que se regule su suministro de CC. (Los suministros no regulados tienden a tener una gran fluctuación, lo que causa problemas en muchos circuitos). Por lo tanto, se necesita un regulador al final, sin importar qué suceda. Por razones de seguridad, normalmente también necesita un transformador en algún lugar.
El esquema que dibujé arriba es una forma perfectamente válida de hacer las cosas. Podría poner un regulador lineal o un convertidor de dólar en el extremo y obtener DC regulado. Pero (como han dicho otros) los transformadores de 60 Hz son grandes y pesados. E incluso si no necesita un transformador por seguridad, es difícil convertir de manera confiable un voltaje de entrada muy alto a un voltaje de salida muy bajo. Estas limitaciones conducen a los llamados convertidores fuera de línea, que rectifican primero la red eléctrica, luego cambian el lado primario de un transformador pequeño a una alta frecuencia. El lado secundario aún está aislado, y el transformador realiza parte de la conversión de voltaje, lo que mantiene el ciclo de trabajo del interruptor en un rango razonable. Por supuesto, los convertidores fuera de línea son más difíciles de diseñar que el tipo más simple que mostré anteriormente.
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