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

Современные блоки питания AC-DC выполняют преобразование напряжения в три этапа. Грубо говоря, процесс выглядит следующим образом.

Во-первых, они выпрямляют переменный ток в постоянный, поэтому 100 В переменного тока превращаются примерно в 140 В постоянного тока, а 240 В переменного тока дают около 340 В постоянного тока. Это первый шаг. Это диапазон напряжений, с которым работает вторая ступень преобразователя. И это напряжение имеет ужасные пульсации в районе 100-120 Гц.

Второй этап представляет собой «прерыватель», который модулирует высоковольтный постоянный ток в высокочастотные импульсы, 100 кГц или около того. Имеется микросхема контроллера, которая управляет парой мощных полевых МОП-транзисторов, нагруженных первичной обмоткой изолирующего трансформатора. Трансформатор, как вы правильно заметили, имеет фиксированный коэффициент обмотки, поэтому выходные импульсы будут иметь переменную амплитуду, пропорциональную входному постоянному току (который составляет от 140 до 340 В, не считая пульсаций от первичного выпрямления 50/60 Гц).

Однако прерыватель также делает эти импульсы разной ширины, что называется ШИМ — широтно-импульсная модуляция. Таким образом, выход трансформатора при выпрямлении «полупериодным» диодным выпрямителем и сглаживании большим выходным конденсатором в среднем может иметь переменную амплитуду: узкие импульсы имеют меньшую среднюю амплитуду, и наоборот. Это третья ступень преобразователя переменного тока в постоянный.

Таким образом, в то время как трансформатор имеет фиксированный коэффициент обмотки, ШИМ по-прежнему позволяет изменять выходную мощность выпрямителя в значительном диапазоне, таким образом, приспосабливаясь к фиксированному коэффициенту трансформации трансформатора и широкому диапазону входного напряжения, включая пульсации напряжения.

Окончательное управление и стабилизация напряжения осуществляется по механизму отрицательной обратной связи с использованием линейных оптоизоляторов. Если выпрямленное напряжение становится слишком высоким, обратная связь заставляет микросхему контроллера формировать более узкие импульсы, поэтому напряжение падает, 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 формы волны, есть некоторые тонкие инженерные хитрости за кулисами, но в основном это все.

Если вы хотите определить один «компонент», отвечающий за постоянное выходное напряжение, то это «обратная связь».

Прямой путь, который включает трансформатор обратного хода, выдает контролируемое количество энергии на выходе. Напряжение на выходе измеряется, и обратная связь запрашивает меньшую или большую мощность от момента к моменту, чтобы поддерживать постоянное напряжение.

Прямой путь предназначен для работы от любого напряжения во входном диапазоне, что требует осторожности при проектировании, но довольно просто.

Принцип работы обратноходового преобразователя заключается в том, что его выходное напряжение подстраивается под любое напряжение, необходимое для обеспечения требуемой мощности. Он может повышаться или понижаться на большое значение, чтобы соответствовать соотношению входного и выходного напряжения.

Зарядное устройство для телефона должно выполнять несколько функций помимо регулирования напряжения. Он должен преобразовывать переменный ток в постоянный, существенно снижать напряжение и обеспечивать существенную изоляцию между входом и выходом.

Поскольку нас интересует только регулирование, давайте вместо этого рассмотрим «автомобильное» зарядное устройство постоянного тока, которое принимает постоянный ток в обычно широком диапазоне напряжений, возможно, до 28 В, и преобразует его в 5 В.

Зарядное устройство, вероятно, использует быстро переключающийся 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 имеет вид Vout=D*Vin, где D — рабочий цикл ШИМ. Для разумных входных напряжений будет значение «D», которое дает 5 В.

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

В более совершенных версиях схема ШИМ изменена, чтобы исключить влияние Vin, два примера этого - «упреждающая связь» и «текущий режим». В режиме тока импульс ШИМ заканчивается, когда ток в катушке индуктивности достигает значения. Если входное напряжение выше, значение достигается раньше, но выход практически не изменяется.

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

«Трансформатор» в обратноходовом преобразователе технически представляет собой не трансформатор, а две связанные катушки индуктивности. В отличие от трансформатора он накапливает магнитную энергию в воздушном зазоре. Накопитель энергии заряжается через переключатель (транзистор) во время сканирования и разряжается через диод во время обратного хода. Источник и нагрузка никогда не подключаются одновременно, поэтому соотношение витков не применяется.

Вместо этого важен рабочий цикл или коэффициент включения-выключения, поскольку среднее напряжение на любой катушке индуктивности должно быть равно нулю. Это соотношение легко варьируется. Выходное напряжение обычно активно регулируется, т. е. стабилизируется от изменений нагрузки, регулятором с обратной связью.

Обратноходовой преобразователь генерирует высокое напряжение для ЭЛТ-дисплея, используя быстрое обратное перемещение (или обратное отслеживание) горизонтального отклонения, отсюда и его название.

Редактировать: соотношение оборотов тоже имеет значение, но не так сильно.