¿Cómo estimar la eficiencia de una fuente de alimentación lineal en LTspice?

Básicamente, se enfrenta a un problema de corrección del factor de potencia cuando mide la potencia de entrada. Dado que existe cierto retraso entre la fase y el voltaje, la potencia de entrada medida (potencia aparente) no es exactamente la potencia que se entrega al resto del circuito. Esto sucede cuando maneja una carga inductiva (transformador) y/o una carga capacitiva (capacitor de filtro) con una fuente de CA. Para evaluar la potencia efectiva que se extrae de la fuente, tendría que medir la potencia real:

dónde:

$PF$es el factor de potencia y se define como$PF=\cos \theta\ \cdot \left(\dfrac{1}{1+THD}\right)^{0.5}$

$\theta$es la diferencia de fase entre la tensión y la corriente suministradas.

$THD$es una distorsión armónica total. En el caso de fuente sinusoidal pura es cero.

Podría pensar en dos enfoques que podría usar:

1. runla simulación y medir la diferencia de fase de las formas de onda. Ejecute FFTy mida THDpara la frecuencia de interés. Calcule el factor de potencia y luego calcule la potencia de entrada efectiva.
2. Parametrice todo e intente medir la diferencia de fase entre dos señales (un poco complicado, debo decir, para determinar dónde seleccionar la fase). Intenté la siguiente simulación y aparentemente funciona bien, pero necesitaría algunos ajustes para su aplicación final. En cuanto al THD, se puede obtener en una primera simulación a través del comando.four 60 I(v1)

Para esta simulación obtuve una eficiencia de$4.7\%$cuando se utiliza la potencia aparente (equivocada) y una eficiencia de$62.9\%$cuando se usa el poder real, que suena mucho más realista.

Me sorprende que funcione, no hay referencia a tierra en el lado primario. Como mínimo, si tiene la intención de tener el "flotante" primario, agregue una resistencia de (digamos) 1 Mega tierra desde uno de los nodos. Además, para las mediciones, es mejor imponer un paso de tiempo y reducir el enorme intervalo de tiempo, por ejemplo .tran 0 100 90 1m, y deshabilitar la compresión de forma de onda con opt plotwinsize=0.

Sobre la eficiencia, lo que tienes ahí es un 18 Hprimario que es muy grande comparado con el actual. Si traza la corriente frente al voltaje en el primario, verá que están desplazados casi 90 ^{o .} Eso hace que la eficiencia sea muy pequeña. También tendría algo de resistencia de CC de Ω (más de 1 Ω), muy probablemente, lo que también contribuirá a la amortiguación.

También tiene un puente de diodo sin adulterar, y que es fuertemente no lineal, genera muchos armónicos, y esos tienden a enterrar lo fundamental. Ver esto para una explicación más detallada.

En resumen, tiene principalmente la corriente de magnetización y los armónicos fundamentales + atenuados severamente desplazados debido principalmente al gran valor de la inductancia primaria (que ayuda con el filtrado pero agrega un desplazamiento adicional).

Estás calculando las potencias completamente mal. Para la potencia de salida que está utilizando 5*I(I1), lo que significa que está asumiendo 5 Vla salida mientras escribe explícitamente I(I1), que puede ser simplemente reemplazada por 90m. Para la potencia de entrada, no es el promedio de los valores absolutos , es simplemente el promedio del producto de las cantidades de entrada. Esto significa que sus resultados no son confiables. Aquí hay una versión rehecha:

El voltaje de salida es ~7.24 Vpromedio (trazado), por lo que ahora la potencia de salida está Pout2en el registro de errores. Además, Pin2es diferente.

La forma de medir de @vtolentino es un poco engañosa porque implica medir el factor de desplazamiento, pero eso se aplica a la fundamental, solo, y la corriente tiene armónicos. Incluso entonces, una mejor forma de medir sería usar un paso de banda ( F1y L3), que tiene fase cero en f0. Para equilibrar los posibles retrasos de fase, E1y C2aplicar el mismo filtrado a la tensión, aunque aquí es un poco inútil ya que la diferencia de fase es de unos 0,05 ^o . Aún así, así es como lo medí.

La diferencia entre los cálculos se muestra en el registro de errores: vrmsy irmssiendo los valores RMS de entrada, y cosphisiendo el intento de medición del desplazamiento. Usar eso para calcular la potencia como vrms*irms*cosphiresultado en una eficiencia diferente, eff3=77.83%en comparación con eff2=81.34%(negativo porque I(L1)entra V1, no sale; lo mismo) No es una gran diferencia, cierto, pero es importante.

Esa última medida es para mostrar que he marcado el Use radian measure in waveform expressionsen el Control Panel > Waveforms, por defecto sin marcar, es por eso que estoy usando cos(2*pi...)en lugar de cos(360...). Además, esa 1 Megresistencia está ahí para .ACel análisis, que falla sin ella; .TRANpuede vivir sin ella.

Sin embargo, la primera parte de la respuesta sigue siendo válida, en parte porque la parte sobre los armónicos y la inductancia magnetizante influye en los resultados que se ven en la imagen de arriba, y en parte porque afecta la forma en que se calcula la potencia aparente, incluso si no se necesita aquí.

El problema está en la fórmula que usaste para medir la potencia en,

AVG(ABS(V(in,ingnd)*I(v1)))

Como el voltaje y la corriente están desfasados, la potencia se vuelve negativa en momentos en que el voltaje y la corriente tienen signos opuestos. Por lo tanto, no debe aplicar la función ABS, sino simplemente promediar todos los valores de potencia instantáneos (tanto positivos como negativos).

Después de cambiar la fórmula a AVG(V(in,ingnd)*I(v1)), la potencia de entrada se informa como 0,804 W y la eficiencia (con salida regulada a 5 V) es del 56 %.

Otra forma de mostrar la potencia en LTspice es mantener presionada la tecla Alt mientras se hace clic en un componente (lo que produce una traza de potencia instantánea en él), luego mantener presionada la tecla Ctrl y hacer clic en la etiqueta de la traza para mostrar la potencia promedio.

Cuando hacemos esto, I1vemos que la potencia de salida no es de 0,45 W sino de 0,653 W, lo que indica una eficiencia del circuito de 0,653/0,804 = 81 %. La diferencia es la pérdida en su regulador lineal de 5 voltios.

Sin embargo, esta no es una simulación precisa porque no ha incluido las resistencias de los devanados del transformador. Usando los valores medidos que informó en los comentarios (primario 1.4 KΩ, secundario 3 Ω), la eficiencia del circuito cae al 23% sin regulación a 5 V, y al 18% con ella.