Como os carregadores de telefone têm tensão de entrada variável com tensão de saída constante?

Meu entendimento básico é que um transformador pode reduzir a tensão pela proporção dos enrolamentos primário e secundário, uma vez que essa é uma proporção em que a saída não é constante.

Assim, minha pergunta é: como os carregadores, como o carregador de telefone da Apple (uma fonte de alimentação no modo Fly-back Switch), podem receber uma entrada de 100v-240v ~ 50/60 Hz para criar uma saída constante de 5v?

Acima está um suposto diagrama de circuito do carregador de telefone da Apple.

essa tensão de saída constante é um efeito do transformador flyback? (Tenho pouca experiência em fontes de alimentação CA para CC) Qualquer ajuda é apreciada.

As modernas fontes de alimentação CA-CC fazem a conversão de tensão em três etapas. Grosso modo, o processo é o seguinte.

Primeiro, eles retificam a CA para CC, de modo que 100 V CA chegam a cerca de 140 V CC e 240 V CA resultam em cerca de 340 V CC. Este é o primeiro passo. Essa é a faixa de tensões com a qual o segundo estágio do conversor está lidando. E essa tensão tem ondas horríveis de 100 a 120 Hz.

O segundo estágio é um "helicóptero" que modula a CC de alta tensão em pulsos de alta frequência, 100 kHz ou algo assim. Existe um IC controlador que aciona um par de MOSFETs poderosos, que são carregados com o enrolamento primário do transformador de isolamento. O transformador, como você observou corretamente, possui uma taxa de enrolamento fixa, de modo que os pulsos de saída teriam amplitude variável proporcional à entrada DC (que é de 140 a 340V, sem contar as ondulações da retificação primária de 50/60 Hz).

No entanto, o helicóptero também produz esses pulsos de largura diferente, chamados PWM - Modulação por Largura de Pulso. Assim, a saída do transformador, quando retificada pelo retificador de diodo "meio caminho" e suavizada com um capacitor de saída grande, em média pode ter amplitude variável: pulsos estreitos produzem menor amplitude média e vice-versa. Este é o terceiro estágio do conversor AC-DC.

Assim, enquanto o transformador possui uma taxa de enrolamento fixa, o PWM ainda permite alterar a saída do retificador em uma faixa considerável, acomodando assim a taxa de transformador fixa e uma vasta faixa de tensão de entrada, incluindo ondulações de tensão.

O controle final e a estabilização de tensão são feitos via mecanismo de feedback negativo usando opto-isoladores lineares. Se a tensão retificada for muito alta, o feedback faz com que o controlador IC produza pulsos mais estreitos, então a tensão diminui e vice-versa. Esse mecanismo de feedback não apenas cuida da tensão, mas também controla a energia geral fornecida à carga da PSU.

Existem alguns detalhes de como os transformadores toleram as formas de onda assimétricas, existem alguns truques de engenharia nos bastidores, mas basicamente é isso.

Se você deseja identificar um 'componente' responsável pela tensão de saída constante, é o 'feedback'.

O caminho direto que inclui o transformador flyback empurra uma quantidade controlável de energia para a saída. A tensão na saída é medida e o feedback solicita uma quantidade menor ou maior de potência momento a momento, para manter a tensão constante.

O caminho a frente foi projetado para poder funcionar com qualquer voltagem na faixa de entrada, que requer um pouco de cuidado com o design, mas é bastante direta.

O funcionamento de um conversor flyback é que sua tensão de saída se ajusta à tensão necessária para fornecer a energia que lhe foi solicitada. Ele pode aumentar ou diminuir uma grande proporção, para permitir que ele corresponda à taxa de tensão de entrada e saída.

O carregador do telefone precisa fazer várias coisas, além de regular a tensão. Ele precisa converter CA em CC, diminuir substancialmente a tensão e fornecer isolamento substancial entre entrada e saída.

Como estamos preocupados apenas com a regulamentação, consideremos, em vez disso, um carregador DC-DC "no carro", que aceita DC em uma faixa de tensão tipicamente ampla, possivelmente até 28V, e a converte em 5V.

O carregador provavelmente usa um transistor de comutação rápida e um diodo para alternar rapidamente entre a tensão de entrada e o terra, depois um filtro LC para suavizar a comutação e gerar a tensão média. A função de transferência resultante é Vout = D * Vin, onde D é um ciclo de trabalho PWM. Para tensões de entrada razoáveis, haverá um valor "D" que produz 5v.

Na sua forma mais simples, D é definido por um "amplificador de erro" de controle comparando Vout com uma tensão de referência.

Nas versões mais refinadas, o circuito PWM é modificado para cancelar a influência de Vin, dois exemplos disso são "feedforward" e "current mode". No modo atual, o pulso PWM termina quando a corrente no indutor atinge um valor. Se a tensão de entrada for maior, o valor será alcançado mais cedo, mas a saída não será afetada.

Se esse projeto DC-DC for "atualizado" para incluir um transformador, ele fornecerá a configuração "encaminhada" popular, que pode ser mais compacta e eficiente que o flyback, pois o transformador pode usar peças magnéticas otimizadas para uso do transformador (ferrita) e o indutor pode usar peças para uso indutor (pó de ferro).

O "transformador" em um conversor flyback tecnicamente não é um transformador, mas dois indutores acoplados. Ao contrário de um transformador, ele armazena energia magnética em um espaço de ar. O estoque de energia é carregado através de um comutador (transistor) durante a varredura e descarregado através de um diodo durante o flyback. A fonte e a carga nunca são conectadas simultaneamente e, portanto, a proporção de voltas não se aplica.

Em vez disso, o que é importante é o ciclo de serviço, ou a taxa liga / desliga, pois a tensão média sobre qualquer indutor deve ser zero. Essa proporção é facilmente variada. A tensão de saída é geralmente ativamente regulada, ou seja, estabilizada contra variações de carga, por um regulador com realimentação.

O conversor flyback gera a alta tensão para um monitor CRT, fazendo uso do flyback rápido (ou retrocesso) da deflexão horizontal, daí seu nome.

Editar: a taxa de turnos também importa, mas não tanto.