¿Por qué el suministro de CA se rectifica primero antes de reducir el voltaje?

El volumen de un núcleo, necesario para soportar los Webers, es este:

$l_e$es la longitud de la trayectoria magnética requerida y$A_c$es el área de la sección transversal del núcleo. En el caso de una onda sinusoidal, el último factor anterior, para un medio ciclo de voltaje aplicado, es:

Para 60 Hz y$V_{RMS}=120\:\textrm{V}$, te acercas$0.9\:\textrm{V}\cdot\textrm{s}$, que es enorme.

Supongamos que quisiera$10\:\textrm{W}$. Entonces$I_{peak}\approx 120\:\textrm{mA}$. La densidad de flujo de los núcleos de hierro probablemente no debería exceder los 1,5 teslas (aunque podríamos ver varios materiales y encontrar un rango de números aquí).$\mu_r\approx 1000$para hierro Así que esto sugiere sobre$60\:\textrm{cm}^3$de volumen para el núcleo, o en el área de aproximadamente 1 libra de peso. Esto es aproximadamente el doble del peso que se usa como guía aproximada para los transformadores de potencia, pero está en el estadio correcto. (Usando otra cifra que he visto para el acero CRGO, 1.9 Tesla, el peso cae al rango esperado normal ).

Tenga en cuenta que la alta permeabilidad no le ayuda en lo más mínimo. Mira la ecuación de arriba. ese término,$\mu_r$, está en el numerador! Si lo aumenta, todo lo que hace es aumentar el volumen necesario. La razón es que necesita vacío para almacenar energía. No importa. Entonces, más permeabilidad simplemente significa un espacio de vacío menos efectivo en la red de materia sólida y, por lo tanto, solo necesita más materia allí. La alta permeabilidad aquí se trata de contener las líneas de flujo y proporcionar un buen acoplamiento magnético. La inductancia también viene para el viaje.

Las bajas frecuencias solo significan grandes voltios-segundo y, por lo tanto, grandes núcleos. Por lo tanto, "hierro pesado". Simplemente va con el territorio.

Cuando era niño, mi padre solía enseñarme un par de fórmulas simples de "regla general" para el diseño de transformadores con núcleo de hierro. 45/s vueltas por voltio, y P = s^2, donde s = cuadrado de la columna central del núcleo de hierro EI en cm^2. Es decir, la energía eléctrica disponible crece con la cuarta potencia del "grosor" del núcleo :-) Y, tenga en cuenta que los pequeños vatios terminan con un número de giros extremadamente alto de alambre muy fino... mucha resistencia en serie.

Mi entendimiento ingenuo es que para que el transformador no absorba/desperdicie energía cuando esté descargado/abierto, necesita que el transformador tenga una cierta inductancia lo suficientemente alta para un voltaje primario dado (medido con un secundario abierto) . Nuevamente, para núcleos pequeños, esto se traduce en una gran cantidad de vueltas de alambre fino.

Si los diminutos transformadores con núcleo de hierro fueran más eficientes que los interruptores de vataje similar, las regulaciones legales sobre el consumo de energía en modo de espera en la electrónica de consumo harían omnipresente el material con núcleo de hierro. La realidad es que solo los conmutadores se pueden fabricar con una eficiencia lo suficientemente buena en los factores de forma diminutos (con un consumo de energía inactivo cercano a cero).

Esto no quiere decir que todos los conmutadores sean elegantes, estabilizados y eficientes. Por ejemplo, algunos de los cargadores Nokia diminutos y livianos súper atractivos (accesorio estándar de fábrica) contenían el conmutador más minimalista que he visto: un "transistor" autooscilante de tres patas en los elyts primarios y económicos, sin filtrado. , ¡sin realimentación! Como era de esperar, esos cargadores son energéticamente ineficientes, la regulación bajo carga es muy pobre (en comparación con un trafo de núcleo de hierro diminuto de vataje similar) y realmente no verifiqué el EMI.

Algunas verrugas de pared baratas un poco más grandes (conmutadores) ya tienen una retroalimentación adecuada (a través de un optoacoplador) y un filtrado mínimo, pero son bastante ineficientes (se calientan). Lo mismo ocurre con los adaptadores para portátiles noname del mercado de accesorios.

Recientemente me sorprendieron los adaptadores para portátiles de Lenovo de la generación actual (con el enchufe amarillo rectangular). ¡Este pequeño adaptador de "ladrillo de plástico" funciona perfectamente bien! Sorprendente, en comparación con algunos adaptadores para portátiles que tenía en el pasado. Me arriesgaría a adivinar los modernos transistores TrenchFET/FinFET y la rectificación de sincronización en el lado secundario.

Parece que estás asumiendo que podrían hacer algo como esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Pero, por lo general, desea que su suministro de CC esté regulado. (Los suministros no regulados tienden a tener una gran ondulación, lo que causa problemas en muchos circuitos). Por lo tanto, necesita un regulador al final, pase lo que pase. Por razones de seguridad, también suele necesitar un transformador en alguna parte.

El esquema que dibujé arriba es una forma perfectamente válida de hacer las cosas. Puede colocar un regulador lineal o un convertidor reductor en el extremo y obtener una CC regulada. Pero (como han dicho otros) los transformadores de 60 Hz son grandes y pesados. E incluso si no necesita un transformador por seguridad, es difícil convertir de manera confiable un voltaje de entrada muy alto a un voltaje de salida muy bajo. Estas limitaciones conducen a los llamados convertidores fuera de línea, que primero rectifican la red y luego conmutan el lado primario de un pequeño transformador a alta frecuencia. El lado secundario aún está aislado y el transformador realiza parte de la conversión de voltaje, lo que mantiene el ciclo de trabajo del interruptor en un rango razonable. Por supuesto, los convertidores fuera de línea son más difíciles de diseñar que el tipo más simple que mostré arriba.