Warum wird die Wechselstromversorgung zuerst gleichgerichtet, bevor die Spannung heruntergefahren wird?

Das Volumen für einen Kern, der zur Unterstützung der Webers benötigt wird, lautet wie folgt:

$l_e$ist die erforderliche magnetische Weglänge und$A_c$ist die Kernquerschnittsfläche. Im Fall einer Sinuswelle ist der letzte obige Faktor für eine Halbwelle der angelegten Spannung:

Für 60Hz u$V_{RMS}=120\:\textrm{V}$, du kommst herum$0.9\:\textrm{V}\cdot\textrm{s}$, das ist riesig.

Angenommen, ich wollte$10\:\textrm{W}$. Dann$I_{peak}\approx 120\:\textrm{mA}$. Die Flussdichte von Eisenkernen sollte wahrscheinlich etwa 1,5 Tesla nicht überschreiten (obwohl wir verschiedene Materialien betrachten und hier eine Reihe von Zahlen finden könnten).$\mu_r\approx 1000$für Eisen. Das deutet also auf etwa hin$60\:\textrm{cm}^3$Volumen für den Kern - oder im Bereich von etwa 1 Pfund Gewicht. Dies ist etwa das Doppelte des Gewichts, das als grobe Richtlinie für Leistungstransformatoren verwendet wird, aber es liegt in der richtigen Größenordnung. (Unter Verwendung einer anderen Zahl, die ich für CRGO-Stahl gesehen habe, 1,9 Tesla, fällt das Gewicht in den normalen Erwartungsbereich.)

Beachten Sie, dass Ihnen eine hohe Durchlässigkeit nicht im Geringsten hilft. Sehen Sie sich die obige Gleichung an. Dieser Begriff,$\mu_r$, steht im Zähler! Wenn Sie es erhöhen, erhöhen Sie lediglich die erforderliche Lautstärke. Der Grund ist, dass man Vakuum braucht , um Energie zu speichern. Nicht wichtig. Mehr Permeabilität bedeutet also einfach weniger effektiven Vakuumraum im Feststoffgitter, und Sie brauchen dort einfach mehr Materie. Bei hoher Permeabilität geht es hier darum, die Flusslinien einzudämmen und eine gute magnetische Kopplung bereitzustellen. Die Induktivität kommt auch mit.

Niedrige Frequenzen bedeuten nur große Voltsekunden und damit große Kerne. Also "schweres Eisen". Es gehört einfach zum Territorium.

Als ich ein Kind war, brachte mir mein Vater ein paar einfache „Faustregel“-Formeln für das Design von Transformatoren mit Eisenkern bei. 45/s Windungen pro Volt und P = s^2, wobei s = Quadrat der Mittelsäule des EI-Eisenkerns in cm^2. Das heißt, die verfügbare elektrische Leistung wächst mit der vierten Potenz der "Dicke" des Kerns :-) Und beachten Sie, dass winzige Wattzahlen zu extrem hohen Windungszahlen von ziemlich feinem Draht führen ... viel Serienwiderstand.

Mein naives Verständnis ist, dass der Transformator für eine bestimmte Primärspannung (gemessen mit einer offenen Sekundärseite) eine bestimmte hoch genug Induktivität haben muss, damit der Transformator im unbelasteten Zustand / mit offenem Ende keine Energie saugt / verschwendet. . Für kleine Kerne bedeutet dies wiederum eine hohe Windungszahl von feinem Draht.

Wären winzige Eisenkerntransformatoren effizienter als Umschalter ähnlicher Leistung, würden gesetzliche Regelungen zum Stand-by-Verbrauch in der Unterhaltungselektronik das Eisenkernzeug allgegenwärtig machen. Die Realität ist, dass nur Umschalter mit einer ausreichend guten Effizienz in den winzigen Formfaktoren (mit nahezu null Stromverbrauch im Leerlauf) hergestellt werden können.

Das soll nicht heißen, dass alle Switcher elegant, stabil und effizient sind. Zum Beispiel enthielten einige der supersexy winzigen und leichten Nokia-Ladegeräte (Standardzubehör ab Werk) den minimalistischsten Umschalter, den ich je gesehen habe: einen selbstoszillierenden dreibeinigen „Transistor“ in der Primärseite, billige Elyts, keine Filterung , kein Feedback! Es überrascht nicht, dass diese Ladegeräte energetisch ineffizient sind, die Regelung unter Last sehr schlecht ist (im Vergleich zu einem winzigen Trafo mit Eisenkern und ähnlicher Leistung) und ich die EMI nicht wirklich überprüft habe.

Einige billige, etwas größere Wandwarzen (Switcher) haben bereits ein ordentliches Feedback (über einen Optokoppler) und eine minimale Filterung, sind aber ziemlich ineffizient (werden heiß). Dasselbe gilt für Aftermarket-Noname-Notebook-Adapter.

Ich bin erstaunt über die Notebook-Adapter der aktuellen Generation von Lenovo (mit dem rechteckigen gelben Stecker). Dieser kleine "Plastikbaustein"-Adapter läuft perfekt kühl! Erstaunlich, verglichen mit einigen Notebook-Adaptern, die ich in der Vergangenheit hatte. Ich würde eine Vermutung auf moderne TrenchFET / FinFET-Transistoren und Synchronisierungsgleichrichtung auf der Sekundärseite wagen.

Es hört sich so an, als würden Sie davon ausgehen, dass sie so etwas tun könnten:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Aber normalerweise möchten Sie, dass Ihre DC-Versorgung geregelt wird. (Ungeregelte Versorgungen neigen dazu, eine große Welligkeit zu haben, was für viele Schaltungen Probleme verursacht.) Sie brauchen also am Ende auf jeden Fall einen Regler. Aus Sicherheitsgründen braucht man in der Regel auch irgendwo einen Trafo.

Das Schema, das ich oben gezeichnet habe, ist eine vollkommen gültige Vorgehensweise. Sie könnten einen Linearregler oder einen Abwärtswandler am Ende anbringen und geregelten Gleichstrom erhalten. Aber (wie andere gesagt haben) 60-Hz-Transformatoren sind groß und schwer. Und selbst wenn Sie aus Sicherheitsgründen keinen Transformator benötigen, ist es schwierig, eine sehr hohe Eingangsspannung zuverlässig in eine sehr niedrige Ausgangsspannung umzuwandeln. Diese Einschränkungen führen zu den sogenannten Offline-Konvertern, die zuerst das Netz gleichrichten und dann die Primärseite eines kleinen Transformators mit hoher Frequenz schalten. Die Sekundärseite ist immer noch isoliert, und der Transformator übernimmt einen Teil der Spannungsumwandlung, wodurch die Einschaltdauer des Schalters in einem vernünftigen Bereich bleibt. Natürlich sind Offline-Konverter schwieriger zu entwerfen als die einfacheren, die ich oben gezeigt habe.