¿Por qué aumenta el voltaje rectificado después de agregar un capacitor?

La forma de onda de CA rectificada capta los picos. La entrada de 9 V CA es equivalente a RMS ( Root-Mean-Squarepromedio): la amplitud real de la onda sinusoidal es aproximadamente un 40 % más alta que el promedio RMS (la raíz cuadrada de 2 es 1,414). Entonces, en su imagen, el equivalente de 9V es aproximadamente el 70% del camino entre 0V y los picos.

Los números no funcionan exactamente con el factor de cresta ideal de raíz cuadrada de dos, porque hay una caída de voltaje en los dos diodos que están encendidos, y también porque hay alguna variación en el voltaje de línea.

La razón por la que RMS se usa para describir los voltajes de CA es porque la cantidad de energía (calor) entregada a la carga resistiva es la misma que sería para una fuente de 9V CC 1A.

Editar: explicando la diferencia observada en la medición del voltaje de carga para diferentes condiciones de capacitor de carga, explicando por qué DMM da una medición incorrecta para la forma de onda rectificada de onda completa ...

El voltaje en realidad no se está aumentando en este circuito. Cuando se retira el condensador, la full-wave rectifiedseñal no mantiene los voltajes máximos. Como menciona Ignacio Vázquez-Abrams, es posible que el DMM no esté midiendo la forma de onda correctamente, especialmente en el caso de que no haya capacitor; suponiendo que haya medido con la configuración de voltaje de CC del DMM, sin el capacitor, la forma de onda rectificada de onda completa sería confusa. la medida. La medición de 9 V CC informada por el DMM coincide con el equivalente nominal de 9 V CA RMS, por lo que tal vez el DMM de alguna manera estaba midiendo el valor RMS. Luego, cuando agregó un capacitor, los picos de forma de onda se mantuvieron el tiempo suficiente para que el DMM comenzara a medir con precisión. Lamentablemente, es posible que los equipos de medición nos "mientan" bajo ciertas condiciones. Sucede a los mejores de nosotros a veces.

El DMM es solo una máquina electrónica, no es una caja mágica que siempre da la medida de voltaje correcta. La mayoría de los DMM usan una técnica de medición llamada dual-slope integration, en la que primero se carga rápidamente un capacitor hasta el voltaje que se está muestreando, y luego el capacitor de muestreo se descarga a través de una fuente de corriente constante. El DMM cuenta el tiempo que tarda en descargar el capacitor a cero. El valor de ese contador es lo que muestra el DMM. La calibración depende de la fuente de corriente, el voltaje de compensación del comparador y la calidad del capacitor de muestreo. Esta técnica es económica de implementar y funciona muy bien, siempre que la señal de entrada no cambie muy rápidamente. Pero cuando se conecta a esa señal rectificada de onda completa, el capacitor de muestreo no permanece en el voltaje máximo.Es indeterminado dónde comienza y termina el intervalo de muestra, por lo que es difícil saber exactamente cuántos conteos podría informar el DMM. Entonces, si se omite la C, entonces no es realmente un circuito de CC, por lo que la medición de CC del DMM no es válida.

También preguntó sobre el uso de diferentes valores de C. El puente rectificador no está regulado, su voltaje de salida puede variar con diferentes impedancias de carga. Cambiar la capacitancia de carga C afecta el reactanceXc del capacitor, que también afecta la carga impedance.

Una impedancia de carga más baja, al igual que la resistencia de carga, consumirá más corriente a un voltaje dado. Pero a diferencia de la resistencia, las formas de onda de corriente y voltaje pueden estar desfasadas. Entonces, es posible tener voltaje a través de un capacitor incluso con corriente cero, y es posible tener corriente a través de un inductor incluso con voltaje cero (bajo algunas condiciones).

Poner una reactancia en paralelo con una resistencia es un poco más complicado que poner resistencias en paralelo, porque las formas de onda de voltaje y corriente están en fase para la resistencia pero están desfasadas 90 grados para el capacitor. En el análisis de circuitos de CA, usamos complex numbersuna phasornotación ( sí, eso realmente es una cosa ) para modelar estos elementos del circuito de CA. Si piensa en la impedancia como un vector, con la longitud del vector actuando de manera similar a la resistencia en la ley de Ohm, y la reactancia actuando en ángulo recto con respecto a la resistencia, entonces poner la resistencia y el capacitor en paralelo da la impedancia de carga total Z. Aunque es posible Para profundizar en las matemáticas, hay otro punto importante que vale la pena mencionar:

Este circuito no está regulado. Si desea obtener una salida de 12 V CC, no puede simplemente seleccionar un valor de condensador y esperar que esto siempre proporcione una salida de 12 V CC, independientemente de la cantidad de corriente de carga que se consuma. Este circuito es un buen bloque de construcción para comenzar, pero el voltaje de salida rectificado de onda completa variará con los cambios en el voltaje de entrada de la línea de servicio, así como con la corriente de carga. Si realmente desea que se regule, agregue un circuito regulador como 78M05 (o 78M12 si realmente necesita 12V). En ese caso, necesitará el puente de onda completa para proporcionar un poco más de 12 V para que el regulador tenga algo de margen para trabajar (pero no demasiado, porque el regulador lineal funciona desperdiciando la energía no deseada).

La teoría de los circuitos de CA puede ser un poco alucinante al principio, porque hay todas estas cosas matemáticas sorprendentes como los números imaginarios y la ley de Euler, que resultan funcionar en la vida real. El comentario sobre cómo el condensador "iguala los picos" es... algo cierto... pero es una gran simplificación. Como ha descubierto, una declaración cualitativa como esa no lo ayuda a determinar cuánta capacitancia necesita para lograr su objetivo de diseño de hacer una fuente de alimentación de 12 V CC.

No voy a poder explicar completamente la teoría de los circuitos de CA aquí, pero aquí hay al menos algunas migas de pan interesantes:

Consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_reactance

Consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_impedance

Ver https://en.wikipedia.org/wiki/Phasor

Su DMM no mide el voltaje máximo, mide el voltaje aparente (que está cerca pero no exactamente el promedio). Y como muestra el gráfico, el voltaje promedio aumentó . Tenga en cuenta que la descarga real dependerá de la carga, pero un DMM casi no tiene carga.

Así que encontré esta fuente de alimentación de CA de 9V 1A y decidí hacer una fuente de CC. Rectifiqué y agregué un capacitor para hacer las cosas un poco uniformes. Después de agregar un capacitor, mi voltaje aumentó de 9V a 14V. ¿Alguien puede explicar por qué me pasó esto?

Hay algunas cosas que están pasando aquí.

En primer lugar, el voltaje de CA generalmente se mide en RMS. Para una sinusoide, el voltaje RMS es aproximadamente 0,7 veces el voltaje pico.

Un multímetro digital en modo CC normalmente medirá una aproximación del voltaje medio (en un medidor de banco de gama alta, potencialmente una muy buena aproximación). Después de rectificar una onda sinusoidal con un rectificador perfecto que no está cargado capacitivamente (no especifica qué tipo de diodos usó, por lo que no sabemos qué tan cerca de la perfección estuvo su rectificador), el valor medio de la forma de onda resultante será aproximadamente 0.6 veces es pico.

Entonces, ¿por qué obtuvo 9V en su medidor de CC antes de traer el capacitor? La respuesta es más porque el voltaje de salida de los transformadores generalmente se establece a plena carga. El voltaje de salida de los transformadores bajo carga ligera puede ser un poco más alto que el voltaje de salida bajo carga completa.

Ahora, ¿qué sucede cuando agregamos el capacitor? El circuito ahora opera en dos modos, durante parte del ciclo, la corriente fluye desde la entrada y el voltaje de salida sigue a la entrada, pero durante parte del ciclo, el capacitor alimenta la carga. Mientras el capacitor alimenta la carga, el voltaje suministrado a la carga cae. Finalmente, aparece el siguiente pico de la forma de onda de CA, el voltaje de entrada rectificado alcanza el voltaje de salida y el voltaje de salida comienza a seguir al voltaje de entrada nuevamente.

El voltaje promedio que se ve en la salida de un circuito rectificador-capacitor-resistencia depende en gran medida de la tasa de descarga del capacitor. Si se usa un capacitor pequeño, no almacenará ninguna carga significativa y el voltaje se verá muy parecido al que tenía cuando se descargó el capacitor. Si se usa un capacitor masivo y el rectificador es perfecto, entonces el voltaje de salida promedio será casi igual al voltaje máximo del suministro (nuevamente, esto sugiere que el voltaje RMS real de su suministro de CA fue más de 9V)

Según el gráfico teórico, debería obtener aproximadamente el mismo voltaje incluso después de agregar el capacitor.

El mismo voltaje pico sí, pero claramente no el mismo voltaje promedio (que es generalmente lo que miden los DMM)

Eche un vistazo a las trazas del osciloscopio en http://web.physics.ucsb.edu/~lecturedemonstrations/Composer/Pages/64.57.html , muestran una configuración de media onda en lugar de una de onda completa, pero muestran claramente cómo cambiar el capacitor. El valor cambia la forma de la onda de voltaje de salida y, por lo tanto, es el voltaje promedio.

¿Quizás haya algún tipo de ecuación para determinar el voltaje de salida real según las tapas?

Realmente no puede analizar este circuito con las técnicas tradicionales de "análisis de CA" debido a la no linealidad que presentan los diodos. Tienes que mirarlo en el dominio del tiempo, calcular ecuaciones para los dos "modos" y luego averiguar dónde cambia entre esos modos.

En una primera aproximación para grandes capacitancias (constante de tiempo RC mucho mayor que el tiempo de ciclo), puede suponer que casi todo el tiempo se gasta en el estado de descarga y que el capacitor se carga al voltaje máximo uno por medio ciclo.

Sería genial sacar 12V de esta cosa.

No creará un suministro estable de 12 V de esta manera, el voltaje de salida promedio depende de la carga y, en cualquier caso, a la mayoría de las cargas no solo les importa el voltaje promedio, también les importa que el voltaje permanezca estable.