Wie haben Telefonladegeräte eine variable Eingangsspannung mit konstanter Ausgangsspannung?

Moderne AC-DC-Netzteile erledigen die Spannungswandlung in drei Schritten. Grob gesagt ist der Ablauf wie folgt.

Zuerst richten sie den Wechselstrom in Gleichstrom um, sodass aus 100 V Wechselstrom etwa 140 V Gleichstrom und aus 240 V Wechselstrom etwa 340 V Gleichstrom 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 den Hochspannungsgleichstrom 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 werden. Wie Sie ordnungsgemäß angemerkt haben, hat der Transformator ein festes Wicklungsverhältnis, sodass die Ausgangsimpulse die variable Amplitude proportional zum Eingangsgleichstrom haben würden (der 140 bis 340 V beträgt, ohne Berücksichtigung von Welligkeiten aus der 50/60-Hz-Primärgleichrichtung).

Der Chopper macht diese Pulse aber auch unterschiedlich breit, was als PWM - Pulse-Width-Modulation bezeichnet wird. Somit kann der Ausgang des Transformators, wenn er durch einen "halben" Diodengleichrichter gleichgerichtet und mit einem großen Ausgangskondensator geglättet wird, im Durchschnitt eine variable Amplitude haben: schmale Impulse erzeugen eine niedrigere durchschnittliche Amplitude und umgekehrt. Dies ist die dritte Stufe des AC-DC-Wandlers.

Während also der Transformator ein festes Wicklungsverhältnis hat, ermöglicht die PWM immer noch, den Ausgang des Gleichrichters in einem beträchtlichen Bereich zu ändern, wodurch das feste Transformatorverhältnis und der große Eingangsspannungsbereich, einschließlich Spannungswelligkeiten, berücksichtigt werden.

Die endgültige Steuerung und Spannungsstabilisierung erfolgt über einen Gegenkopplungsmechanismus mit linearen Optokopplern. Wenn die gleichgerichtete Spannung zu hoch wird, bewirkt die Rückkopplung, dass der Controller-IC schmalere Impulse erzeugt, sodass die Spannung abfällt und umgekehrt. Dieser Rückkopplungsmechanismus kümmert sich nicht nur um die Spannung, sondern steuert auch die Gesamtleistung, die an die PSU-Last geliefert wird.

Es gibt einige feine Details, wie die Transformatoren die asymmetrischen Wellenformen tolerieren, es gibt einige feine technische Tricks hinter den Kulissen, aber im Grunde war es das auch schon.

Wenn Sie eine „Komponente“ identifizieren möchten, die für die konstante Ausgangsspannung verantwortlich ist, dann ist es die „Rückkopplung“.

Der Vorwärtspfad, der den Flyback-Transformator enthält, drückt eine steuerbare Energiemenge an den Ausgang. Die Spannung am Ausgang wird gemessen, und die Rückkopplung fordert Moment für Moment eine kleinere oder größere Menge an Leistung an, um die Spannung konstant zu halten.

Der Vorwärtspfad ist so ausgelegt, dass er mit jeder Spannung im Eingangsbereich betrieben werden kann, was beim Design ein wenig Sorgfalt erfordert, aber ziemlich einfach ist.

Die Funktionsweise eines Sperrwandlers besteht darin, dass sich seine Ausgangsspannung an die Spannung anpasst, die erforderlich ist, um die Leistung zu liefern, die er liefern soll. Es kann in einem großen Verhältnis nach oben oder unten geschaltet werden, um das Verhältnis der Eingangs- und Ausgangsspannung anzupassen.

Das Telefonladegerät muss neben der Regulierung der Spannung mehrere Aufgaben erfüllen. Es muss Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln, die Spannung erheblich heruntersetzen und eine erhebliche Isolierung zwischen Eingang und Ausgang bieten.

Da wir uns nur mit der Regulierung befassen, betrachten wir stattdessen ein DC-DC-Ladegerät "im Auto", das DC über einen typischerweise breiten Spannungsbereich von möglicherweise bis zu 28 V akzeptiert und in 5 V umwandelt.

Das Ladegerät verwendet wahrscheinlich einen schnell schaltenden Transistor und eine Diode, um schnell zwischen der Eingangsspannung und Masse umzuschalten, und dann einen LC-Filter, um das Schalten zu glätten und die Durchschnittsspannung auszugeben. Die resultierende Übertragungsfunktion ist Vout = D·Vin, wobei D ein PWM-Tastverhältnis ist. Für vernünftige 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 raffinierteren Versionen wird die PWM-Schaltung modifiziert, um den Einfluss von Vin aufzuheben, zwei Beispiele dafür sind "Feedforward" und "Current Mode". Im Strommodus endet der PWM-Impuls, wenn der Strom in der Spule einen bestimmten Wert erreicht. Wenn die Eingangsspannung höher ist, wird der Wert früher erreicht, aber der Ausgang ist relativ unbeeinflusst.

Wenn dieses DC-DC-Design um einen Transformator "aufgerüstet" wird, ergibt sich die beliebte "Vorwärts"-Konfiguration, die kompakter und effizienter sein kann als Flyback, da der Transformator magnetische Teile verwenden kann, die für die Verwendung als Transformator optimiert sind (Ferrit), und die Induktivität kann Teile für den Induktor 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) aufgeladen und beim Flyback über eine Diode entladen. Quelle und Last werden niemals gleichzeitig angeschlossen, daher gilt das Windungsverhältnis nicht.

Stattdessen kommt es auf den Arbeitszyklus oder das Ein-Aus-Verhältnis an, da die durchschnittliche Spannung über jeder Induktivität Null sein muss. Dieses Verhältnis lässt sich leicht variieren. Die Ausgangsspannung wird üblicherweise durch einen Regler mit Rückkopplung aktiv geregelt, dh gegen Lastschwankungen stabilisiert.

Der Sperrwandler erzeugt die Hochspannung für eine CRT-Anzeige, indem er sich den schnellen Rücklauf (oder Rücklauf) der horizontalen Ablenkung zunutze macht, daher sein Name.

Bearbeiten: Das Windungsverhältnis spielt auch eine Rolle, aber nicht so viel.