Corrente ondulada em um transformador de fonte de alimentação linear

Estou um pouco confuso com relação às fontes lineares e suas correntes de entrada (ou seja, no lado de entrada do regulador de tensão).

Para começar, aqui está um circuito de teste:

$R_{bogus}$é apenas para deixar o LTspice feliz (todos os nós precisam de uma conexão com o terra).
BTW, acho que devo adicionar outro limite de entrada para ruídos de alta frequência - embora isso seja pouco relevante para essa questão (e o esquema é apenas um circuito de teste bastante áspero). Os objetivos são de 0 a 12 V em até 2 amperes (1,5 provavelmente seria bom o suficiente). A fonte de tensão é 230$V_{rms}$ já que é nisso que ele funcionará, e o transformador está configurado para simular ~ 15 V RMS, o que significa um pico de 21 V.

O problema é que, dependendo de como você o vê, picos de corrente muito grandes ou queda de tensão muito alta devido à resistência em série. Ou ambos, sério.

Aqui, a voltagem vermelha é a entrada do regulador de voltagem e a verde / azul é corrente através de dois dos diodos retificadores. Observe como a tensão é muito reduzida (de 15 Vrms - 2 gotas de diodo) devido à resistência em série combinada com os picos de corrente de 5,5 A.
Este gráfico está na corrente máxima de saída (12 V / 6$\Omega$carga) = 1,87 - 1,99 A devido à ondulação da saída; a tensão de entrada é muito baixa para que seja regulada adequadamente devido à queda no secundário.
Obviamente, as tampas de alisamento têm picos semelhantes aos diodos, mas menor magnitude (~ 1,8 A).

Que tipo de resistência em série o secundário do transformador teria? Estou procurando um transformador multi-tap 2x 10-15 V, com 2,2 A por classificação secundária (66 VA no total). A folha de dados lista alguns detalhes, mas não a resistência em série.

Assumindo um 1 $\Omega$ resistência em série no secundário (como na simulação acima) e 0,11 $\Omega$ESR nos eletrolíticos de suavização (algumas figuras que encontrei ao pesquisar), acabo com algo parecido com o acima. With 0.5$\Omega$ no secundário, a saída é ótima em 12 V e menos (o alvo), mas é claro que os picos de mais de 5 amp permanecem no lado da entrada.

Então, finalmente, as perguntas:

• Estou no estádio certo com 0,5 $\Omega$no secundário, ou é duas vezes mais próximo da verdade? Percebo que difere entre transformadores, é claro, mas não consigo encontrar números e não tenho nada para me medir ... mas nesta simulação, uma funciona e a outra não.
• Os picos atuais de ~ 5-6 A para um suprimento de 2 A são normais / esperados? O mesmo para as tampas de suavização (~ 2.4 A) - Presumo que essa seja a especificação "corrente de ondulação" dos capacitores, a propósito?
• Quanto o transformador precisa ser classificado para lidar com isso? Certamente eu não preciso de um transformador de 6 A para tirar 2 A DC? O atual RMS está abaixo de 2,2 A, mas isso é realmente bom?

E, embora isso seja praticamente respondido pelo que foi dito acima:

• Devo realmente esperar uma queda de tensão tão grande na carga? Se os picos estiverem em 5 A, com 0,5-1$\Omega$ no secundário, obviamente perco vários volts antes mesmo do retificador de ponte, o que faz com que tudo falhe (ondulação massiva na saída).

Curto: Adicione um resistor de 1 ohm em série com o transformador :-).

Mais longo:

Um transformador "perfeito" e um capacitor "perfeito" terão infinitos picos de corrente, como eu sei que você percebe.

Embora os resultados do mundo real variem com o 'ethos e a filosofia' do fabricante do transformador, a experiência do mundo real é que você geralmente obtém resultados superiores adicionando um pequeno "resistor de expansão do ângulo de condução" em série com a alimentação do enrolamento do transformador aos capacitores. Isso é contra-intuitivo ao que você pode esperar do ponto de vista da eficiência e geralmente não é feito na prática. O cálculo teórico do efeito de tal resistor é surpreendentemente irritante, mas a simulação mostrará os efeitos instantaneamente.

Dado que o nível CC médio sob carga é 0,7071 (= sqrt (2)) do pico V, você tem bastante espaço para trabalhar e pode proporcionar uma quantidade modesta de queda na resistência em série. Existem vários efeitos secundários que podem ser úteis dependendo do ambiente. A dispersão do ângulo de condução melhora o fator de potência da carga com pico muito alto - mas provavelmente não o suficiente para fazer a diferença no atendimento ou na falha dos requisitos formais de fator de potência. Às vezes, o que é mais importante, espalhar o ângulo de condução reduz muito as cargas de pico nos diodos e reduz os problemas de CEM (ou seja, menos ruído eletromagnético irradiado) - provavelmente não é um efeito intuitivo da adição de alguns ohms de resistência em série.

Vamos brincar com algumas figuras:

Você tem tensão secundária de 15 VCA e está apontando para 12VDC em 2A.
Por enquanto, suponha que seja aceitável um mínimo de 15VCC nas tampas dos filtros (com o mínimo de 3V do regulador).
Vpico é 15 x 1,414 = 21,2 V A
potência de carga é VI = 12 x 2 = 24 Watts.
Se você conseguisse filtrar isso suficientemente bem para obter, digamos, cerca de 20VDC na tampa, dissiparia Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 Watts no regulador e "como um bônus" atingirá uma grande ondulação ATUAL nas tampas, mas pequena ondulação TENSÃO. Isso não parece uma idéia maravilhosa :-).

Se você conseguir espalhar a condução em mais de 25% do ciclo de tensão, obterá a corrente média durante a condução em até 4 x Iavg = 8A.

Assumindo um pico de 21V, a condução de 25% ocorre com uma saída de cerca de 19V do transformador, e uma condução de 50% muito útil ocorre com pouco menos de 15V. Veja o gráfico abaixo.

Isso sugere que a inserção de até uma resistência em série de ohm terá um efeito substancial. Se a média de 8A necessária para a condução de 25% cair em 1 ohm, a queda de tensão de 8 volts garantirá que a 8A não aconteça (como 21-8 = 13V, que é menor que o alvo de 15V DC, isso foi baseado em )

Se ocorrer uma condução de 50%, a corrente média durante esse período será de 4A e a queda média de 1 ohm seria de 4V, portanto, isso pode estar "quase certo", como se a tampa do filtro estivesse em cerca de 15V (21-15) / 1 = pico de 6A no pico da forma de onda - e, como o limite terá "ondulado" em tensão, você terá menos de 6A). E assim por diante.
Sim, você pode analisar analiticamente o que acontece. Mas, basta colocar 1 ohm no simulador e ver o que acontece.

Isso tem o efeito de colocar MAIS tensão de ondulação no (s) capacitor (es), menos corrente de ondulação, menos perdas de regulador e menos perdas de transformador, menos EMI de diodo.

A resistência em série pode estar no transformador, mas depois aumenta a geração de calor dentro de um componente relativamente caro, onde você prefere tentar otimizar a transferência de energia em vez da perda de calor. Um resistor de 5 watts e 1 ohm provavelmente funcionará bem aqui. 10W seria mais seguro devido a picos. por exemplo, 4A a 50% = I ^ 2R x 50% = 15 = 6W x 0,4 = 8W MAS a forma de onda é complexa, portanto o aquecimento real precisa ser calculado.

Observe que em muitos casos a classificação da corrente de ondulação de dois capacitores é superior à de um único capacitor de capacitância total igual.

Use tampas 105C (ou melhores), como é óbvio neste tipo de aplicação. 2000 horas + uma boa ideia. Vida útil da tampa ~~~ 2 ^ ((Trato-tatual) / 10) x Vida útil nominal

Estou no estádio certo com 0,5 Ω no secundário ou está duas vezes mais perto da verdade?

Como Russell McMahon apontou, um transformador "ideal" (com resistência zero) e um retificador "perfeito" e um capacitor "perfeito" criarão picos de corrente quase infinita, levando a um fator de potência ruim .

Infelizmente, os transformadores reais têm muito, muito mais que 0,5 Ω no secundário, levando a uma queda muito pior (mas com um melhor fator de potência e menos problemas com os picos de corrente).

Devo realmente esperar uma queda de tensão tão grande na carga?

Sim. Fontes de alimentação reais têm "inclinação". (como discutimos em outros lugares como dimensionar um transformador de alimentação? , 230V para 12V transformador abaixador , Por que os transformadores não regulamentada? , Troca das pilhas com um adaptador AC ). A tensão de saída sem carga de um transformador pode ser 50% maior que a tensão de saída nominal. Um transformador da vida real que, como o transformador em sua simulação, fornece 15 V sem carga, pode ser classificado apenas como "10 VCA", porque é tudo o que pode ser colocado em carga máxima.

Se os picos estiverem em 5 A, com 0,5-1 Ω no secundário, eu obviamente perco vários volts mesmo antes do retificador de ponte, o que faz com que tudo falhe (ondulação massiva na saída).

Sim. Se algum circuito precisar de pelo menos 12 VCA para funcionar corretamente e você tentar usar um transformador classificado apenas para fornecer "10 VCA" sob carga, ele não funcionará - mesmo se você medir que o transformador produz 15 VCA sem carga.

Transformadores reais que funcionarão - transformadores classificados para "12 VCA" sob carga - não têm enrolamentos na proporção 10: 1; eles podem ter algo como uma proporção de 9: 1 para compensar a queda e, portanto, terão uma saída significativamente superior a 12 VCA sem carga, talvez 13 ou 18 ou 20 VCA.

Diferentes fabricantes produzem transformadores com quantidades muito diferentes de resistência no secundário. Transformadores caros com resistência muito baixa têm muito perto da taxa de enrolamento "ideal" que seria de esperar para uma determinada classificação de tensão. Transformadores mais baratos e com maior resistência têm uma taxa de enrolamento muito diferente para compensar a queda e atingir a mesma classificação de tensão (sob carga). Em outras palavras, na mesma proporção de enrolamento, os transformadores com maior resistência terão uma classificação de tensão mais baixa (sob carga) impressa no transformador.

Para simular um transformador corretamente, você deve ajustar a resistência e a taxa de enrolamento para que, na carga nominal, forneça a tensão nominal.

Eu posso estar um pouco fora de tópico quando menciono que muitas fontes de alimentação reais têm "filtros de linha" / " bobinas de estrangulamento " / " filtros de supressão de EMI ", " circuitos de correção do fator de potência " e algumas têm " circuitos de preenchimento de vale " . Todos esses componentes "extras" reduzem direta ou indiretamente esses picos atuais.

Depois que o único resistor Russell McMahon sugeriu, o filtro mais simples a seguir é um único indutor. Você pode estar interessado em experimentar a inserção de um indutor, talvez 100 uH, na linha "oi" após o retificador e antes dos capacitores. Ou talvez colocando o indutor entre C1 e C2, formando um filtro LC "pi" desses 3 componentes.