¿Cómo tienen los cargadores de teléfonos un voltaje de entrada variable con un voltaje de salida constante?

Las fuentes de alimentación AC-DC modernas realizan la conversión de voltaje en tres pasos. A grandes rasgos, el proceso es el siguiente.

Primero, rectifican la CA en CC, por lo que 100 V CA se convierten en aproximadamente 140 V CC y 240 V CA dan como resultado aproximadamente 340 V CC. Este es el primer paso. Este es el rango de voltajes que maneja la segunda etapa del convertidor. Y este voltaje tiene ondas horribles a 100-120 Hz.

La segunda etapa es un "chopper" que modula la CC de alto voltaje en pulsos de alta frecuencia, 100 kHz o algo así. Hay un controlador IC que impulsa un par de potentes MOSFET, que se cargan con el devanado primario del transformador de aislamiento. El transformador, como notó debidamente, tiene una relación de bobinado fija, por lo que los pulsos de salida tendrían una amplitud variable proporcional a la entrada de CC (que es de 140 a 340 V, sin contar las ondas de la rectificación primaria de 50/60 Hz).

Sin embargo, el chopper también produce estos pulsos de diferente ancho, lo que se llama PWM - Pulse-Width-Modulation. Por lo tanto, la salida del transformador, cuando se rectifica con un rectificador de diodo "a mitad de camino" y se suaviza con un capacitor de salida grande, en promedio puede tener una amplitud variable: los pulsos estrechos producen una amplitud promedio más baja y viceversa. Esta es la tercera etapa del convertidor AC-DC.

Entonces, mientras que el transformador tiene una relación de devanado fija, el PWM aún permite cambiar la salida del rectificador en un rango considerable, acomodando así la relación fija del transformador y el amplio rango de voltaje de entrada, incluidas las ondas de voltaje.

El control final y la estabilización de voltaje se realizan a través de un mecanismo de retroalimentación negativa utilizando optoaisladores lineales. Si el voltaje rectificado sube demasiado, la retroalimentación hace que el IC del controlador produzca pulsos más estrechos, por lo que el voltaje baja y viceversa. Este mecanismo de retroalimentación no solo se ocupa del voltaje, sino que también controla la potencia general entregada a la carga de la fuente de alimentación.

Hay algunos detalles finos sobre cómo los transformadores toleran las formas de onda asimétricas, hay algunos trucos de ingeniería finos detrás de escena, pero básicamente eso es todo.

Si desea identificar un 'componente' responsable del voltaje de salida constante, entonces es la 'retroalimentación'.

El camino directo que incluye el transformador flyback empuja una cantidad controlable de energía a la salida. Se mide el voltaje en la salida, y la retroalimentación solicita una cantidad mayor o menor de energía momento a momento, para mantener el voltaje constante.

La ruta directa está diseñada para poder funcionar desde cualquier voltaje en el rango de entrada, lo que requiere un poco de cuidado con el diseño, pero es bastante sencillo.

La forma en que funciona un convertidor flyback es que su voltaje de salida se ajusta al voltaje necesario para entregar la potencia que se le pide que entregue. Puede aumentar o disminuir en gran medida, para permitir que coincida con la relación de voltaje de entrada y salida.

El cargador del teléfono tiene que hacer varias cosas además de regular el voltaje. Tiene que convertir CA a CC, reducir sustancialmente el voltaje y proporcionar un aislamiento sustancial entre la entrada y la salida.

Dado que solo nos preocupa la regulación, consideremos en su lugar un cargador DC-DC "en automóvil", que acepta DC en un rango de voltaje típicamente amplio, posiblemente hasta 28V, y lo convierte a 5V.

El cargador probablemente usa un transistor y un diodo de conmutación rápida para cambiar rápidamente entre el voltaje de entrada y tierra, luego un filtro LC para suavizar la conmutación y generar el voltaje promedio. La función de transferencia resultante es Vout=D*Vin, donde D es un ciclo de trabajo PWM. Para voltajes de entrada razonables, habrá un valor "D" que produzca 5v.

En su forma más simple, D se establece mediante un "amplificador de error" de control que compara Vout con un voltaje de referencia.

En versiones más refinadas, el circuito PWM se modifica para cancelar la influencia de Vin, dos ejemplos de esto son "feedforward" y "modo actual". En el modo actual, el pulso PWM finaliza cuando la corriente en el inductor alcanza un valor. Si el voltaje de entrada es más alto, el valor se alcanza antes, pero la salida no se ve afectada.

Si este diseño de CC-CC se "actualiza" para incluir un transformador, ofrece la popular configuración "directa" que puede ser más compacta y eficiente que el retorno, ya que el transformador puede utilizar piezas magnéticas optimizadas para el uso del transformador (ferrita), y el inductor puede usar piezas para uso de inductor (polvo de hierro).

El "transformador" en un convertidor flyback técnicamente no es un transformador sino dos inductores acoplados. A diferencia de un transformador, almacena energía magnética en un espacio de aire. El acumulador de energía se carga a través de un interruptor (transistor) durante la exploración y se descarga a través de un diodo durante el retorno. La fuente y la carga nunca se conectan simultáneamente y, por lo tanto, no se aplica la relación de vueltas.

En cambio, lo que importa es el ciclo de trabajo, o la relación de encendido y apagado, ya que el voltaje promedio sobre cualquier inductor debe ser cero. Esta relación se varía fácilmente. La tensión de salida suele estar regulada activamente, es decir, estabilizada frente a las variaciones de carga, mediante un regulador con realimentación.

El convertidor flyback genera el alto voltaje para una pantalla CRT, haciendo uso del flyback rápido (o retroceso) de la desviación horizontal, de ahí su nombre.

Editar: la relación de giros también importa, pero no tanto.