¿Por qué la carga de CC consume el doble de corriente CA a través del transformador?

Se trata de los armónicos. Cuando usa la resistencia (carga) directamente en el secundario del transformador, está usando una buena corriente sinusoidal, pero cuando rectifica el voltaje, la no linealidad de los diodos, combinada con la carga capacitiva, agrega armónicos a la corriente y aumentar su valor. El "doble de corriente" no es una regla, puede ponerse muy feo, pero suele ser menos, dependiendo de los elementos.

Aquí hay una prueba rápida en LTspice:

V1y R1haz tu secundaria y la 21$\Omega$carga. El resto es un rectificador y la carga, más un tope de 1mF (valores aleatorios). Las corrientes son las trazas roja y verde, mientras que las potencias son las negras y azules, leyendo:

No es el doble, pero los diodos son ideales y el voltaje no está correctamente rectificado (podría haber usado una tapa más grande). Aún así, la ración se acerca a 1,3. En definitiva, se paga por comodidad, pero existen soluciones para la mitigación: circuitos de corrección del factor de potencia, filtros de potencia activos, rectificadores activos, filtros trampa, etc.

Teniendo en cuenta sus comentarios a continuación, aquí está la versión rehecha con una configuración casi real, 2x4700$\mu$F con algo de ESR, serie añadida 4.7$\Omega$, algún modelo de diodo 1N4007:

Y aquí hay una porción ampliada de las formas de onda y sus lecturas:

La corriente se suaviza debido a la ESR, la carga adicional (4.7+21), la resistencia de encendido de los diodos y, por último, la resistencia interna del secundario (que, sin duda, será mucho mayor que los míseros 50 m$\Omega$en el esquema). Las potencias también están más cerca, pero los picos de la corriente aún son más grandes que la agradable forma de onda sinusoidal, por lo que debe tenerlos en cuenta al elegir los diodos (aquí se usan los 4007 porque tenía uno disponible) .model.

Trataré de dejar en claro que el porcentaje del 74% del que habla Tony Stewart no es un número para confiar, o incluso citar. Aquí está la versión rectificada, con 21$\Omega$carga, con un .step'ed cap de 470$\mu$F a 10mF:

La forma de la corriente se vuelve más delgada con el mayor contenido armónico dado por el aumento del valor del capacitor; el puente es el mismo. El valor de la corriente RMS también aumenta (consulte el registro), la FFT muestra armónicos cada vez más altos, por lo que el valor de la corriente RMS aumenta debido al contenido de armónicos . Aquí hay una versión ampliada de la FFT:

La etiqueta de la traza es negra, por lo que la primera .steptraza 'ed es negra, pasando a azul, rojo, etc. El primer paso, como se ve en la imagen anterior, es el 470$\mu$F, los últimos 10mF, por lo que los armónicos superiores crecen con el valor del condensador, aumentando también el valor de la corriente RMS.

Si solo estuviera el condensador, sin el puente, este habría sido el resultado:

Tenga en cuenta que el puente todavía está allí, pero no está conectado (previsto). Las formas de onda son las del voltaje y la corriente a través de la fuente. La FFT no muestra armónicos: ignore el ruido, plotwinsizeno está configurada, ni se impone un paso de tiempo, pero muestra claramente lo fundamental, solo.

Si se le agrega un puente, sin el capacitor, este es el resultado:

Observe la zona muerta debido a la caída de voltaje. La potencia puede estar cerca de una resistencia pura solamente, pero los armónicos aparecieron debido a la no linealidad de la carga.

Cuando tanto el puente como el capacitor se agregan con la carga, obtienes lo que muestran las primeras imágenes. La conclusión es clara y mencionada en las primeras líneas de la respuesta: la no linealidad de los diodos, combinada con la carga capacitiva, agrega armónicos a la corriente y hace que su valor sea mayor (el de la potencia).

¿Es el poder más alto en un 74%, más o menos? El valor RMS de la fuente es 6.3V. Los valores de la corriente RMS, a medida que el condensador va .stepaumentando de valor, van de 0,478A a 0,855A. El voltaje a través de la carga (olvidé mostrarlo) va de 5,65 V a 6,99 V. Esto quiere decir que la potencia de salida es de 1,52W a 2,33W, mientras que la potencia de entrada es de 3,01W a 5,39W, es decir, la relación de potencias (realmente la inversa de la eficiencia) va de 1,98 (un 98% más) a 2,31 (131 % más), que es mucho más del 74%.

Pero todo esto implica un caso bastante ideal. Elijamos una configuración casi real: un trafo real y sus cargas:

El transformador está a medio adivinar, con algunos valores exagerados allí (área, longitud de la ruta magnética, para acomodar el alto número de vueltas, para evitar la saturación), pero hay algunas fugas y resistencia en serie. Puede ver claramente que la corriente no se acerca a lo esperado. Pero eso puede deberse a las cargas de CA incluidas, porque la corriente de CA ahoga el condensador de carga. Aún así, el inverso de la eficiencia es 1,252 (un poco menos del 80%).

Cambiémoslos todos después del puente, tal vez esta vez, seguro, ¿veremos algunos efectos?

Me gusta más... pero las lecturas dicen 1.278, muy cerca de 1.252, ¡a pesar de la aparente corriente distorsionada! Y, sin embargo, esto está más cerca de lo que realmente vería si hubiera tal carga. En tu caso, es más probable que sea el anterior.

La conclusión es que la potencia extra proviene de la distorsión causada por los armónicos, que no solo son inherentes a los elementos no lineales, sino que no pueden separarse del significado de una carga no lineal, sin importar su tipo. Simplemente no se puede hablar de una carga no lineal y armónicos por separado, todo un dominio de la electrónica se basa en esta asociación. No importa la cantidad, los armónicos más altos provocan un mayor consumo de energía. Si no hubiera armónicos, la relación de potencias se haría solo en el nivel fundamental, y lo único que habría ocurrido sería un retraso de fase: la forma de onda seguiría siendo sinusoidal, sin distorsiones y$\cos\phi$sería el único factor que separaría los poderes.

Afirmación

La CC NO consume el doble de corriente, pero puede entregar el doble de potencia.

Prueba

El voltaje pico es

Por lo tanto, ignorando la caída del diodo puente de 1,4 V para el silicio, si el rectificador de CA impulsa una capacitancia muy grande como la de cualquier batería (~ 10 kF aproximado)
$P_{DC}=\dfrac{V_p^2}{R}=\dfrac{2V_{rms}}{R}=2*P_{AC}$

Regla de oro

• para una frecuencia de línea de f, RC=T y 1/f=$\tau$, elija T>>$\tau$
• por ejemplo,
  para una ondulación de ~5 % Vpp/Vdc, elija RC=10*f
  para una ondulación de ~10 %, elija RC=5*f, tenga en cuenta que el voltaje medio también cae con más ondulación.
• La caída del diodo Si de 1,4 V (x2) se debe restar de la Vca
• los diodos se eligen de manera que la ESR de la tapa, la bobina, etc. o la batería V/ESR=Ipk no supere la corriente máxima máxima. Esta corriente pk es inversa en el ciclo de trabajo al voltaje de ondulación.

¿Por qué la carga de CC consume el doble de corriente CA a través del transformador?

No lo hace, para la corriente promedio. Lo hace, o puede hacerlo, para la corriente RMS.

Una de las especificaciones del transformador es la corriente que puede entregar sin sobrecalentamiento.

El efecto de calentamiento de la corriente en el transformador depende de su valor RMS. El transformador se calienta por la corriente que fluye a través de la resistencia residual de su devanado.

Una carga de CC de rectificador/capacitor crea una corriente de carga RMS mucho más alta en el transformador que una buena carga de CA resistiva, porque consume corriente en picos enormes, lo que provoca un calentamiento excesivo de I ² R.

Para el mismo calentamiento en el transformador, solo puede extraer aproximadamente la mitad de la corriente de una carga de rectificador / capacitor que una carga resistiva simple.

La corriente pico tiene que subir porque los diodos solo conducen durante una pequeña fracción del ciclo. Para lograr la corriente promedio correcta, la corriente máxima debe ser mayor.

Los diodos solo conducen cuando el voltaje de CA es más alto que el voltaje (CC) en el capacitor. Si no hubiera carga, el capacitor se cargaría al voltaje máximo de CA y los diodos nunca volverían a conducir. La carga de CC hace que el voltaje del capacitor caiga durante cada medio ciclo, y luego los diodos conducen brevemente para recargarse cuando el voltaje de CA finalmente está por encima del voltaje de CC.

Cuanto mayor sea el condensador, menor será la caída, menor será el intervalo. Para una corriente CC promedio constante, eso significa que la corriente máxima de CA tiene que aumentar.