Ondulazione della corrente in un trasformatore di alimentazione lineare

Sono un po 'confuso per quanto riguarda gli alimentatori lineari e le loro correnti di ingresso (cioè sul lato di ingresso del regolatore di tensione).

Per cominciare, ecco un circuito di prova:

$R_{bogus}$è solo per rendere felice LTspice (tutti i nodi hanno bisogno di una connessione a terra).
A proposito, immagino che dovrei aggiungere un altro limite di input per il rumore ad alta frequenza - anche se questo non è rilevante per questa domanda (e lo schema è solo un circuito di prova molto approssimativo). Gli obiettivi sono 0 - 12 V fino a 2 ampere (1,5 sarebbe probabilmente abbastanza buono, però). La sorgente di tensione è di 230 poiché è quello su cui funzionerà e il trasformatore è impostato per simulare ~ 15 V RMS, quindi circa 21 V di picco.$V_{rms}$

Il problema è, a seconda di come lo si vede, picchi di corrente troppo grandi o una caduta di tensione troppo elevata dovuta alla resistenza in serie. O entrambi, davvero.

Qui, la tensione rossa è l' ingresso al regolatore di tensione e il verde / blu è corrente attraverso due dei diodi raddrizzatori. Nota come la tensione è molto ridotta (da 15 Vrms - 2 cadute di diodi) a causa della resistenza in serie combinata con i picchi di corrente di 5,5 A.
Questo grafico è alla massima corrente di uscita (12 V / 6 carico ) = 1,87 - 1,99 A a causa dell'ondulazione di uscita; la tensione di ingresso è troppo bassa per essere regolata correttamente a causa della caduta sul secondario. Naturalmente, i cappucci leviganti hanno picchi simili ai diodi, ma di magnitudo inferiore (~ 1,8 A).$\Omega$

Che tipo di resistenza in serie avrebbe il secondario del trasformatore? Sto guardando un trasformatore multi-tap 2x 10-15 V, con 2,2 A per potenza secondaria (66 VA in totale). La scheda tecnica elenca alcuni dettagli, ma non la resistenza in serie.

Supponendo una resistenza serie 1 sul secondario (come nella simulazione sopra) e 0.11 ESR sull'elettrolita levigante (alcune figure a sfera che ho trovato durante la ricerca), finisco con qualcosa di simile a quanto sopra. Con 0,5 sul secondario, l'uscita è ottima a 12 V e meno (il target), ma ovviamente i picchi di 5+ amp rimangono sul lato input.$\Omega$$\Omega$$\Omega$

Quindi, finalmente, le domande:

• Sono nel campo da baseball giusto con 0,5 sul secondario, o è due volte più vicino alla verità? Mi rendo conto che differisce tra i trasformatori, ovviamente, ma non riesco davvero a trovare figure e non ho nulla da misurare su me stesso ... ma in questa simulazione, uno funziona e l'altro no.$\Omega$
• I picchi attuali di ~ 5-6 A per un'alimentazione di 2 A sono normali / prevedibili? Lo stesso vale per i cappucci di livellamento (~ 2,4 A) - Presumo che sia la specifica "corrente di ondulazione" per i condensatori, a proposito?
• Quanto deve essere valutato il trasformatore per gestirlo? Sicuramente non ho bisogno di un trasformatore da 6 amp per ottenere 2 A DC? L'attuale RMS è inferiore a 2,2 A, ma va davvero bene?

E, sebbene questo abbia praticamente risposto a quanto sopra:

• Dovrei davvero aspettarmi una caduta di tensione così grande al carico? Se i picchi sono a 5 A, con 0,5-1 sul secondario, ovviamente perdo più volt anche prima del raddrizzatore a ponte, il che fa fallire il tutto (enorme ondulazione di uscita).$\Omega$

Corto: aggiungi una resistenza da 1 ohm in serie con il trasformatore :-).

Più a lungo:

Un trasformatore "perfetto" e un condensatore "perfetto" avranno picchi di corrente infiniti, come so che ti rendi conto.

Mentre i risultati del mondo reale varieranno con l'etica e la filosofia del produttore di trasformatori, l'esperienza del mondo reale è che di solito otterrete risultati superiori aggiungendo un piccolo "resistore di diffusione dell'angolo di conduzione" in serie con l'alimentazione dell'avvolgimento del trasformatore ai condensatori. Questo è contro intuitivo a ciò che ci si può aspettare da un punto di vista dell'efficienza e spesso non viene fatto in pratica. Il calcolo teorico dell'effetto di un tale resistore è sorprendentemente fastidioso, ma la simulazione mostrerà immediatamente gli effetti.

Dato che il livello DC medio sotto carico è 0,7071 (= sqrt (2)) del picco V, hai un sacco di margine per lavorare con e puoi permetterti un modesto calo della resistenza in serie. Esistono diversi effetti collaterali che possono essere utili a seconda dell'ambiente. La diffusione dell'angolo di conduzione migliora il fattore di potenza del carico altrimenti molto elevato, ma probabilmente non abbastanza per fare la differenza nel soddisfare o non soddisfare i requisiti formali del fattore di potenza. A volte, cosa ancora più importante, la diffusione dell'angolo di conduzione riduce notevolmente i carichi di picco sui diodi e riduce i problemi di compatibilità elettromagnetica (ovvero meno rumore elettromagnetico irradiato) - probabilmente non è un effetto intuitivo dell'aggiunta di alcuni ohm di resistenza in serie.

Diamo un'occhiata con alcune figure:

Hai una tensione secondaria di 15 V CA e stai puntando a 12 V CC a 2 A.
Supponiamo per ora che un minimo di circa 15 V CC sui tappi del filtro sia accettabile 9 dando al regolatore un minimo di 3 V dell'altezza libera).
Vpeak è 15 x 1.414 = 21,2 V
La potenza del carico è VI = 12 x 2 = 24 Watt.
Se riuscissi a filtrare abbastanza bene da ottenere circa 20 V CC sul tappo, dissiperesti Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 Watt nel regolatore e "come bonus" otterresti un'increspatura CORRENTE nei tappi ma piccola ondulazione TENSIONE. Questa non sembra un'idea meravigliosa :-).

Se riesci a diffondere la conduzione oltre il 25% del ciclo di tensione otterrai corrente media durante la conduzione fino a 4 x Iavg = 8A.

Supponendo un picco di 21 V, la conduzione del 25% avviene a circa 19 V di uscita del trasformatore e una conduzione del 50% molto utile avviene a poco meno di 15 V. Vedi grafico sotto.

Ciò suggerisce che l'inserimento anche di una resistenza della serie ohm avrà un effetto sostanziale. Se l'8A significa che è necessario per una conduzione del 25% viene fatto cadere su 1 ohm, la caduta di tensione di 8 volt assicurerà che l'8A non si verifichi (come 21-8 = 13 V che è inferiore al target 15 V CC, questo era basato su ).

Se si verifica una conduzione del 50%, la corrente media durante questo periodo sarà 4A e la caduta media su 1 ohm sarebbe 4V, quindi questo potrebbe essere "corretto", come se il tappo del filtro fosse a circa 15 V (21-15) / 1 = picco 6A al picco della forma d'onda - e poiché il limite avrà "increspato" la tensione da allora otterrai meno di 6A). E così via.
Sì, puoi capire analiticamente cosa succede. Ma basta inserire 1 ohm nel simulatore e vedere cosa succede.

Ciò ha l'effetto di mettere PIÙ tensione di ondulazione sul / i condensatore / i, MENO corrente di ondulazione, minori perdite del regolatore e minori perdite del trasformatore, meno EMI del diodo.

La resistenza in serie potrebbe essere nel trasformatore, ma poi si aggiunge al generatore di calore all'interno di un componente relativamente costoso in cui si preferisce tentare di ottimizzare il trasferimento di potenza anziché la perdita di calore. Una resistenza da 5 Watt 1 ohm probabilmente funzionerà bene qui. 10W sarebbe più sicuro a causa dei picchi. es. 4A al 50% = I ^ 2R x 50% = 15 = 6W x 0.4 = 8W MA la forma d'onda MA è complessa, quindi è necessario calcolare il riscaldamento effettivo.

Si noti che in molti casi la corrente nominale di due condensatori è superiore a quella di un singolo condensatore di uguale capacità totale.

Usa i tappi 105C (o migliori) come una cosa ovvia in questo tipo di applicazione. 2000 ore + una buona idea. Durata del cappuccio ~~~ 2 ^ ((Trated-tattual) / 10) x Rated_life

Sono nel campo da baseball giusto con 0,5 Ω sul secondario, o due volte più vicino alla verità?

Come ha sottolineato Russell McMahon, un trasformatore "ideale" (con resistenza zero) e un "raddrizzatore" perfetto "e un condensatore" perfetto "creeranno picchi di corrente quasi infinita, portando a un cattivo fattore di potenza .

Purtroppo, i trasformatori reali hanno molto, molto più di 0,5 Ω sul secondario, portando a una caduta molto peggiore (ma miglior fattore di potenza e meno problemi con picchi di corrente).

Dovrei davvero aspettarmi una caduta di tensione così grande al carico?

Sì. Gli alimentatori reali hanno "cadute". (come si vedrà altrove come quotare un trasformatore di alimentazione? , 230V a 12V passo verso il basso il trasformatore , perché non sono regolamentati trasformatori? , sostituzione delle batterie con un adattatore AC ). La tensione di uscita a vuoto di un trasformatore può essere superiore del 50% alla tensione di uscita nominale. Un trasformatore di vita reale che, come il trasformatore nella simulazione, fornisce 15 V a vuoto, può essere classificato solo "10 VAC" perché è tutto ciò che può emettere a pieno carico.

Se i picchi sono a 5 A, con 0,5-1 Ω sul secondario, ovviamente perdo più volt anche prima del raddrizzatore a ponte, il che fa fallire il tutto (enorme ondulazione di uscita).

Sì. Se alcuni circuiti richiedono almeno 12 V CA per funzionare correttamente e si tenta di utilizzare un trasformatore classificato solo per fornire "10 V CA" sotto carico, non funzionerà, anche se si misura che il trasformatore emette 15 V CA a vuoto.

Trasformatori reali che funzioneranno - trasformatori classificati per "12 VAC" sotto carico - non hanno avvolgimenti con rapporto 10: 1; possono avere qualcosa di più simile al rapporto 9: 1 per compensare la caduta, e quindi avranno un'uscita significativamente superiore a 12 V CA a vuoto, forse 13 o 18 o 20 V CA.

Diversi produttori producono trasformatori con quantità di resistenza ampiamente diverse sul secondario. I trasformatori costosi con una resistenza molto bassa hanno un rapporto di avvolgimento "ideale" molto simile a quello che ci si aspetterebbe per un dato voltaggio. I trasformatori più economici con una resistenza più elevata hanno un rapporto di avvolgimento molto diverso per compensare la caduta e ottenere la stessa tensione (sotto carico). In altre parole, con lo stesso rapporto di avvolgimento, i trasformatori con resistenza più elevata avranno un valore di tensione inferiore (sotto carico) stampato sul trasformatore.

Per simulare correttamente un trasformatore, è necessario regolare sia la resistenza che il rapporto di avvolgimento in modo che, al carico nominale, dia la tensione nominale.

Potrei essere un po 'fuori tema quando menziono che molti alimentatori reali hanno "filtri di linea" / " bobine di arresto " / " filtri di soppressione EMI ", " circuiti di correzione del fattore di potenza " e alcuni hanno " circuiti di riempimento valle " . Tutti questi componenti "extra" riducono direttamente o indirettamente i picchi di corrente.

Dopo che il singolo resistore Russell McMahon ha suggerito, il prossimo filtro più semplice è un singolo induttore. Potresti essere interessato a sperimentare l'inserimento di un induttore, forse 100 uH, nella riga "hi" dopo il raddrizzatore e prima dei condensatori. O forse posizionando l'induttore tra C1 e C2, formando un filtro "pi" LC da quei 3 componenti.