Ondulación de corriente en un transformador de fuente de alimentación lineal

Estoy un poco confundido con respecto a los suministros lineales y sus corrientes de entrada (es decir, en el lado de entrada del regulador de voltaje).

Para empezar, aquí hay un circuito de prueba:

$R_{bogus}$es solo para hacer feliz a LTspice (todos los nodos necesitan una conexión a tierra).
Por cierto, supongo que debería agregar otro límite de entrada para el ruido de alta frecuencia, aunque eso no es relevante para esta pregunta (y el esquema es un circuito de prueba muy tosco de todos modos). Los objetivos son 0 - 12 V a hasta 2 amperios (1.5 probablemente sería lo suficientemente bueno). La fuente de voltaje es 230$V_{rms}$ ya que eso es lo que funcionará, y el transformador está configurado para simular ~ 15 V RMS, por lo que aproximadamente 21 V pico.

El problema es, dependiendo de cómo lo vea, picos de corriente demasiado grandes o una caída de voltaje demasiado alta debido a la resistencia en serie. O ambos, de verdad.

Aquí, el voltaje rojo es la entrada al regulador de voltaje, y el verde / azul es corriente a través de dos de los diodos rectificadores. Observe cómo se reduce mucho el voltaje (de 15 Vrms - 2 caídas de diodos) debido a la resistencia en serie combinada con los picos de corriente de 5.5 A.
Este gráfico está en la corriente de salida máxima (12 V / 6$\Omega$carga) = 1.87 - 1.99 A debido a la ondulación de salida; el voltaje de entrada es demasiado bajo para que pueda regularse adecuadamente debido a la caída en el secundario.
Por supuesto, las tapas de suavizado tienen picos similares a los diodos, pero de menor magnitud (~ 1.8 A).

¿Qué tipo de resistencia en serie tendría el secundario del transformador? Estoy viendo un transformador multi-derivación de 2x 10-15 V, con 2.2 A por clasificación secundaria (66 VA en total). La hoja de datos enumera algunos detalles, pero no la resistencia en serie.

Suponiendo un 1 $\Omega$ resistencia en serie en el secundario (como en la simulación anterior) y 0.11 $\Omega$ESR en los electrolíticos suavizantes (algunas cifras de estadio que encontré al buscar), termino con algo como lo anterior. Con 0.5$\Omega$ en el secundario, la salida es excelente a 12 V y menos (el objetivo), pero, por supuesto, los picos de 5+ amperios permanecen en el lado de entrada.

Entonces, finalmente, las preguntas:

• ¿Estoy en el estadio correcto con 0.5 $\Omega$en la secundaria, ¿o está el doble de cerca de la verdad? Me doy cuenta de que difiere entre los transformadores, por supuesto, pero realmente no puedo encontrar ninguna figura y no tengo nada para medirme ... pero en esta simulación, uno funciona y el otro no.
• ¿Los picos actuales de ~ 5-6 A para un suministro de 2 A son normales / esperados? Lo mismo para las capas de suavizado (~ 2.4 A). ¿Asumo que esa es la especificación de "corriente de ondulación" para los condensadores, por cierto?
• ¿Para cuánto necesita ser clasificado el transformador para manejar esto? ¿Seguramente no necesito un transformador de 6 amperios para obtener 2 A CC? El RMS actual está por debajo de 2.2 A, pero ¿está realmente bien?

Y, aunque esto es bastante respondido por lo anterior:

• ¿Realmente debería esperar una caída de voltaje tan grande en la carga? Si los picos están a 5 A, con 0.5-1$\Omega$ en el secundario, obviamente pierdo varios voltios incluso antes del rectificador de puente, lo que hace que todo falle (ondulación de salida masiva).

Corto: agregue una resistencia de 1 ohm en serie con el transformador :-).

Más:

Un transformador "perfecto" y un condensador "perfecto" tendrán picos de corriente infinitos, como sé que te das cuenta.

Si bien los resultados del mundo real variarán con el 'espíritu y filosofía' del fabricante de transformadores, la experiencia del mundo real es que generalmente obtendrá resultados superiores al agregar una pequeña "resistencia de dispersión de ángulo de conducción" en serie con la alimentación del devanado del transformador a los condensadores. Esto es contrario a lo que puede esperar desde el punto de vista de la eficiencia y, a menudo, no se hace en la práctica. El cálculo teórico del efecto de dicha resistencia es sorprendentemente molesto, pero la simulación mostrará los efectos al instante.

Dado que el nivel medio de CC bajo carga es 0.7071 (= sqrt (2)) del pico V, tiene bastante margen de maniobra para trabajar y puede permitirse una caída modesta en la resistencia de la serie. Hay varios efectos secundarios que pueden ser útiles según el entorno. Extender el ángulo de conducción mejora el factor de potencia de la carga que de otro modo sería muy elevada, pero probablemente no lo suficiente como para marcar la diferencia en cumplir o fallar los requisitos formales del factor de potencia. A veces, lo que es más importante, extender el ángulo de conducción reduce en gran medida las cargas máximas en los diodos y reduce los problemas de EMC (es decir, menos ruido electromagnético radiado), probablemente no es un efecto intuitivo de agregar unos pocos ohmios de resistencia en serie.

Vamos a jugar con algunas figuras:

Tiene un voltaje secundario de 15 VCA y apunta a 12VDC a 2A.
Suponga por ahora que es aceptable un mínimo de aproximadamente 15 V CC en las tapas de los filtros (dado que el regulador tiene un margen de 3 V como mínimo).
Vpeak es 15 x 1.414 = 21.2 V
La potencia de carga es VI = 12 x 2 = 24 vatios.
Si lograras filtrar esto lo suficientemente bien como para lograr decir aproximadamente 20VDC en la tapa, disiparía Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 vatios en el regulador y "como un bono" lograría una ondulación masiva CORRIENTE en las tapas, pero pequeña onda VOLTAJE. Esto no parece una idea maravillosa :-).

Si logra distribuir la conducción en más del 25% del ciclo de voltaje, obtendrá una corriente media durante la conducción hasta 4 x Iavg = 8A.

Suponiendo un pico de 21V, la conducción del 25% ocurre a una salida de transformador de aproximadamente 19V, y una conducción muy útil del 50% ocurre a poco menos de 15V. Ver gráfico a continuación.

Esto sugiere que insertar incluso una resistencia en serie de un ohmio tendrá un efecto sustancial. Si la media de 8A que se requiere para una conducción del 25% se deja caer a través de 1 ohmio, la caída de voltaje de 8 voltios se asegurará de que la 8A no ocurra (ya que 21-8 = 13V, que es inferior al objetivo de 15V CC, esto se basó en )

Si se produce una conducción del 50%, la corriente media durante este período será de 4 A y la caída media en 1 ohmio sería de 4 V, por lo que esto podría ser "correcto" como si la tapa del filtro estuviera a unos 15 V que obtendría (21-15) / 1 = 6A pico en el pico de la forma de onda, y como la tapa se habrá "ondulado" en el voltaje para entonces obtendrá menos de 6A). Y así.
Sí, puedes analizar analíticamente lo que sucede. Pero, solo ponga 1 ohm en el simulador y vea qué sucede.

Esto tiene el efecto de poner MÁS voltaje de ondulación en los condensadores, MENOS corriente de ondulación, menos pérdidas de regulador y menos pérdidas de transformador, menos EMI de diodo.

La resistencia en serie podría estar en el transformador, pero luego se agrega al calor generado dentro de un componente relativamente costoso donde preferiría tratar de optimizar la transferencia de energía en lugar de la pérdida de calor. Una resistencia de 5 vatios y 1 ohmio probablemente funcionará bien aquí. 10W sería más seguro debido a los picos. por ejemplo, 4A al 50% = I ^ 2R x 50% = 15 = 6W x 0.4 = 8W PERO la forma de onda es compleja, por lo que es necesario calcular el calentamiento real.

Tenga en cuenta que en muchos casos la clasificación de corriente de ondulación de dos capacitores es superior a la de un solo capacitor de igual capacitancia total.

Utilice 105C (o mejores) tapas como algo habitual en este tipo de aplicación. 2000 horas + una buena idea. Cap life ~~~ 2 ^ ((Trated-tactual) / 10) x Rated_life

¿Estoy en el estadio correcto con 0.5 Ω en el secundario, o estoy dos veces más cerca de la verdad?

Como señaló Russell McMahon, un transformador "ideal" (con resistencia cero) y un rectificador "perfecto" y un condensador "perfecto" crearán picos de corriente casi infinita, lo que conducirá a un factor de potencia malo .

Por desgracia, los transformadores reales tienen mucho, mucho más de 0.5 Ω en el secundario, lo que lleva a una caída mucho peor (pero un mejor factor de potencia y menos problemas con los picos de corriente).

¿Realmente debería esperar una caída de voltaje tan grande en la carga?

Si. Las fuentes de alimentación reales tienen "caída". (como se discute en otro lugar Cómo dimensionar un transformador de alimentación? , 230V a 12V transformador reductor , ¿Por qué no están regulados transformadores? , Sustitución de las baterías con un adaptador de CA ). El voltaje de salida sin carga de un transformador puede ser 50% más alto que el voltaje de salida nominal. Un transformador de la vida real que, como el transformador en su simulación, proporciona 15 V sin carga, puede tener una capacidad de solo "10 VCA" porque eso es todo lo que puede apagar a plena carga.

Si los picos están a 5 A, con 0.5-1 Ω en el secundario, obviamente pierdo varios voltios incluso antes del rectificador de puente, lo que hace que todo falle (ondulación de salida masiva).

Si. Si algún circuito necesita al menos 12 VCA para funcionar correctamente, e intenta usar un transformador que solo está calificado para proporcionar "10 VCA" bajo carga, entonces no funcionará, incluso si mide que el transformador genera 15 VCA sin carga

Transformadores reales que funcionarán - transformadores clasificados para "12 VCA" bajo carga - no tienen devanados de relación 10: 1; pueden tener algo más como una relación de 9: 1 para compensar la caída, y por lo tanto tendrán significativamente salida mayor que 12 VCA sin carga, tal vez 13 o 18 o 20 VCA.

Diferentes fabricantes producen transformadores que tienen cantidades muy diferentes de resistencia en el secundario. Los transformadores caros con muy baja resistencia tienen una relación de bobinado "ideal" muy cercana a la que cabría esperar para una tensión nominal determinada. Los transformadores más baratos con mayor resistencia tienen una relación de bobinado muy diferente para compensar la caída y lograr el mismo voltaje (bajo carga). En otras palabras, con la misma relación de devanado, los transformadores con mayor resistencia tendrán una clasificación de voltaje más baja (bajo carga) impresa en el transformador.

Para simular un transformador correctamente, debe ajustar tanto la resistencia como la relación de bobinado para que, a la carga nominal, proporcione el voltaje nominal.

Puede que esté un poco fuera de tema cuando menciono que muchas fuentes de alimentación reales tienen "filtros de línea" / " bobinas de choque " / " filtros de supresión de EMI ", " circuitos de corrección del factor de potencia ", y algunos tienen " circuitos de llenado de valle " . Todos estos componentes "adicionales" reducen directa o indirectamente esos picos actuales.

Después de que la resistencia simple Russell McMahon sugirió, el siguiente filtro más simple es un inductor único. Tal vez le interese experimentar con la inserción de un inductor, quizás 100 uH, en la línea "hola" después del rectificador y antes de los condensadores. O quizás colocando el inductor entre C1 y C2, formando un filtro LC "pi" de esos 3 componentes.