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

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

Primero, rectifican la CA en CC, por lo que 100 VCA entran en aproximadamente 140 V CC y 240 VCA en aproximadamente 340 V CC. Este es el primer paso. Este es el rango de voltajes que trata la segunda etapa del convertidor. Y este voltaje tiene ondulaciones 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 controla un par de MOSFET potentes, que se cargan con el devanado primario del transformador de aislamiento. El transformador, como se indicó, tiene una relación de bobinado fijo, por lo que los impulsos de salida tendrían la amplitud variable proporcional a la entrada DC (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 denomina PWM - Pulse-Width-Modulation. Por lo tanto, la salida del transformador, cuando se rectifica con un rectificador de diodo "a mitad de camino" y se suaviza con un capacitor de salida grande, en promedio puede tener una amplitud variable: los impulsos estrechos producen una amplitud promedio más baja, y viceversa. Esta es la tercera etapa del convertidor AC-DC.

Entonces, mientras el transformador tiene una relación de bobinado fija, el PWM todavía permite cambiar la salida del rectificador en un rango considerable, acomodando así la relación de transformador fijo y el amplio rango de voltaje de entrada, incluidas las fluctuaciones 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 disminuye y viceversa. Este mecanismo de retroalimentación no solo cuida el voltaje, sino que también controla la potencia general entregada en la carga de la PSU.

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

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

La ruta de avance que incluye el transformador de retorno impulsa una cantidad controlable de energía a la salida. El voltaje en la salida se mide, y la retroalimentación solicita una cantidad menor o mayor de energía momento a momento, para mantener el voltaje constante.

La ruta de avance está diseñada para poder funcionar con 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 de retorno es que su voltaje de salida se ajusta al voltaje que se necesita para entregar la energía que se le ha pedido. 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 en CC, reducir sustancialmente la tensión y proporcionar un aislamiento sustancial entre la entrada y la salida.

Ya que solo nos preocupa la regulación, consideremos un cargador DC-DC "en automóvil", que acepta CC en un rango de voltaje típicamente amplio, posiblemente hasta 28V, y lo convierte a 5V.

El cargador probablemente usa un transistor de conmutación rápida y un diodo para cambiar rápidamente entre la tensión de entrada y la tierra, luego un filtro LC para suavizar la conmutación y generar la tensión 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 anular la influencia de Vin, dos ejemplos de esto son "feedforward" y "current mode". En el modo actual, el pulso PWM termina cuando la corriente en el inductor alcanza un valor. Si la tensión de entrada es mayor, el valor se alcanza antes, pero la salida no se ve afectada.

Si este diseño de CC-CC se "actualiza" para incluir un transformador, proporciona 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 su uso (ferrita). y el inductor puede usar partes para uso del 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 acumulador de energía se carga a través de un interruptor (transistor) durante la exploración y se descarga a través de un diodo durante el retorno. La fuente y la carga nunca se conectan simultáneamente, por lo que no se aplica la proporción de vueltas.

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

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

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