Wie haben Telefonladegeräte eine variable Eingangsspannung bei konstanter Ausgangsspannung?

Mein grundlegendes Verständnis ist, dass ein Transformator eine Spannung um das Verhältnis der Primär- und Sekundärwicklung heruntersetzen kann, da dies ein Verhältnis ist, in dem die Ausgabe nicht konstant ist.

Meine Frage ist daher, wie Ladegeräte wie das Apple Phone Charger (ein Fly-Back-Schaltnetzteil) in der Lage sind, einen Eingang von 100 V-240 V ~ 50/60 Hz zu verwenden, um einen konstanten 5 V-Ausgang zu erzeugen.

Oben ist ein angeblicher Schaltplan des Apple-Ladegeräts.

Ist diese konstante Ausgangsspannung ein Effekt des Flyback-Transformators? (Ich habe wenig Erfahrung in AC-DC-Netzteilen) Jede Hilfe wird geschätzt.

Moderne AC-DC-Netzteile wandeln die Spannung in drei Schritten um. Grob gesagt ist der Prozess wie folgt.

Zunächst wird der Wechselstrom in Gleichstrom gleichgerichtet, sodass 100 V Wechselstrom in etwa 140 V Gleichstrom und 240 V Wechselstrom in etwa 340 V Gleichstrom umgewandelt werden. Dies ist ein erster Schritt. Dies ist der Spannungsbereich, mit dem sich die zweite Stufe des Wandlers befasst. Und diese Spannung hat schreckliche Welligkeiten bei 100-120 Hz.

Die zweite Stufe ist ein "Zerhacker", der die Hochspannungsgleichspannung in Hochfrequenzimpulse von 100 kHz oder so moduliert. Es gibt einen Controller-IC, der ein Paar leistungsstarker MOSFETs ansteuert, die mit der Primärwicklung des Trenntransformators belastet sind. Der Transformator hat, wie Sie bereits bemerkt haben, ein festes Wicklungsverhältnis, so dass die Ausgangsimpulse eine variable Amplitude proportional zum Eingangsgleichstrom haben würden (140 bis 340 V, ohne Welligkeiten aus der 50/60-Hz-Primärgleichrichtung).

Der Chopper erzeugt diese Impulse jedoch auch mit unterschiedlicher Breite, was als PWM - Pulse-Width-Modulation bezeichnet wird. Somit kann der Ausgang des Transformators, wenn er durch einen "Halbweg" -Diodengleichrichter gleichgerichtet und mit einem großen Ausgangskondensator geglättet wird, im Durchschnitt eine variable Amplitude haben: schmale Impulse ergeben eine niedrigere Durchschnittsamplitude und umgekehrt. Dies ist die dritte Stufe des AC-DC-Wandlers.

Während der Transformator ein festes Wicklungsverhältnis hat, erlaubt die PWM dennoch, den Ausgang des Gleichrichters in einem beträchtlichen Bereich zu ändern, wodurch das feste Transformatorverhältnis und ein großer Eingangsspannungsbereich, einschließlich Spannungswelligkeiten, berücksichtigt werden.

Die endgültige Kontrolle und Spannungsstabilisierung erfolgt über einen Gegenkopplungsmechanismus unter Verwendung linearer Optoisolatoren. Wenn die gleichgerichtete Spannung zu hoch wird, bewirkt die Rückkopplung, dass der Controller-IC schmalere Impulse erzeugt, sodass die Spannung abnimmt und umgekehrt. Dieser Rückkopplungsmechanismus kümmert sich nicht nur um die Spannung, sondern steuert auch die Gesamtleistung, die an die Last des Netzteils geliefert wird.

Es gibt einige feine Details, wie die Transformatoren die asymmetischen Wellenformen tolerieren, es gibt einige feine technische Tricks hinter den Kulissen, aber im Grunde ist es das.

Wenn Sie eine "Komponente" identifizieren möchten, die für die konstante Ausgangsspannung verantwortlich ist, dann ist dies die "Rückmeldung".

Der Vorwärtspfad, der den Rücklauftransformator enthält, drückt eine steuerbare Leistungsmenge auf den Ausgang. Die Spannung am Ausgang wird gemessen, und die Rückkopplung erfordert von Moment zu Moment eine kleinere oder größere Energiemenge, um die Spannung konstant zu halten.

Der Vorwärtspfad ist so ausgelegt, dass er von jeder Spannung im Eingangsbereich aus betrieben werden kann, was bei der Konstruktion etwas Sorgfalt erfordert, aber relativ einfach ist.

Ein Sperrwandler arbeitet so, dass sich seine Ausgangsspannung an die Spannung anpasst, die zur Lieferung der Leistung benötigt wird. Es kann um ein großes Verhältnis nach oben oder unten verschoben werden, damit es dem Eingangs- und Ausgangsspannungsverhältnis entspricht.

Das Telefonladegerät muss neben der Spannungsregelung noch einige andere Dinge tun. Sie muss Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, die Spannung erheblich senken und eine erhebliche Trennung zwischen Eingang und Ausgang gewährleisten.

Da wir uns nur mit der Regulierung befassen, betrachten wir stattdessen ein DC-DC-Ladegerät fürs Auto, das Gleichstrom über einen typischen weiten Spannungsbereich, möglicherweise bis zu 28 V, akzeptiert und in 5 V umwandelt.

Das Ladegerät verwendet wahrscheinlich einen schnell schaltenden Transistor und eine schnell schaltende Diode, um schnell zwischen Eingangsspannung und Masse umzuschalten, und ein LC-Filter, um das Umschalten zu glätten und die Durchschnittsspannung auszugeben. Die resultierende Übertragungsfunktion ist Vout = D * Vin, wobei D ein PWM-Tastverhältnis ist. Für angemessene Eingangsspannungen gibt es einen "D" -Wert, der 5 V ergibt.

In seiner einfachsten Form wird D durch einen steuernden "Fehlerverstärker" eingestellt, der Vout mit einer Referenzspannung vergleicht.

In verfeinerten Versionen wird die PWM-Schaltung modifiziert, um den Einfluss von Vin auszugleichen. Zwei Beispiele hierfür sind "Feedforward" und "Current Mode". Im Strommodus endet der PWM-Impuls, wenn der Strom in der Induktivität einen Wert erreicht. Wenn die Eingangsspannung höher ist, wird der Wert früher erreicht, der Ausgang ist jedoch relativ unbeeinflusst.

Wenn dieses DC-DC-Design "aufgerüstet" wird, um einen Transformator einzuschließen, ergibt sich die beliebte "Vorwärts" -Konfiguration, die kompakter und effizienter als ein Rücklauf ist, da der Transformator für die Verwendung als Transformator optimierte magnetische Teile (Ferrit) und die Induktivität verwenden kann Kann Teile für Induktoren verwenden (Eisenpulver).

Der "Transformator" in einem Sperrwandler ist technisch gesehen kein Transformator, sondern zwei gekoppelte Induktivitäten. Im Gegensatz zu einem Transformator speichert er magnetische Energie in einem Luftspalt. Der Energiespeicher wird beim Scan über einen Schalter (Transistor) geladen und beim Flyback über eine Diode entladen. Quelle und Last sind niemals gleichzeitig verbunden, und daher gilt das Verhältnis der Windungen nicht.

Stattdessen kommt es auf das Tastverhältnis oder das Ein-Aus-Verhältnis an, da die durchschnittliche Spannung über einer Induktivität Null sein muss. Dieses Verhältnis ist leicht zu variieren. Die Ausgangsspannung wird üblicherweise von einem rückgekoppelten Regler aktiv geregelt, dh gegen Lastschwankungen stabilisiert.

Der Sperrwandler erzeugt die Hochspannung für eine CRT-Anzeige, wobei der schnelle Rücklauf (oder Rücklauf) der horizontalen Ablenkung verwendet wird, daher der Name.

Edit: das Rundenverhältnis ist auch wichtig, aber nicht so sehr.