Corriente de ondulación en un transformador de fuente de alimentación lineal

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

Más extenso:

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 "ethos y la filosofía" del fabricante del transformador, la experiencia del mundo real es que generalmente obtendrá resultados superiores al agregar una pequeña "resistencia de dispersión del ángulo de conducción" en serie con la alimentación del devanado del transformador a los capacitores. Esto es contrario a lo que puede esperar desde el punto de vista de la eficiencia y, a menudo, no se lleva a cabo en la práctica. El cálculo teórico del efecto de una resistencia de este tipo 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)) de V pico, tiene bastante espacio libre para trabajar y puede permitirse una caída modesta en la resistencia en serie. Hay varios efectos secundarios que pueden ser útiles según el entorno. Difundir el ángulo de conducción mejora el factor de potencia de la carga, que de otro modo sería muy pico, pero probablemente no lo suficiente como para marcar una diferencia en el cumplimiento o el incumplimiento de los requisitos formales del factor de potencia. A veces, lo que es más importante, la distribución del 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 sea un efecto intuitivo de agregar unos pocos ohmios de resistencia en serie.

Juguemos con algunas figuras:

Tiene un voltaje secundario de 15 VCA y apunta a 12 VCC a 2A.
Suponga por ahora que un mínimo de aproximadamente 15 V CC en las tapas de los filtros es aceptable (lo que le da al regulador un espacio libre mínimo de 3 V).
Vpico es 15 x 1,414 = 21,2 V
La potencia de carga es VI = 12 x 2 = 24 vatios.
Si logró filtrar esto lo suficientemente bien como para lograr unos 20 V CC en la tapa, disiparía Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 vatios en el regulador y "como beneficio adicional" lograría una CORRIENTE de ondulación masiva en las tapas pero pequeña ondulación TENSIÓN. Esto no parece una idea maravillosa :-).

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

Suponiendo un pico de 21 V, el 25 % de la conducción se produce a una salida del transformador de aproximadamente 19 V, y un 50 % de conducción muy útil se produce justo por debajo de los 15 V. Vea el 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 el 25 % de conducción se reduce a 1 ohm, la caída de voltaje de 8 voltios garantizará que no ocurra el 8A (ya que 21-8 = 13 V, que es más bajo que el objetivo de 15 V 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 ohm sería de 4 V, por lo que esto puede ser "más o menos correcto", ya que si la tapa del filtro estuviera a unos 15 V, obtendría (21-15)/ 1 = pico de 6A en el pico de forma de onda, y como la tapa habrá "aumentado" en voltaje para entonces, obtendrá menos de 6A). Y así.
Sí, puedes analizar analíticamente lo que sucede. Pero, simplemente ponga 1 ohm en el simulador y vea qué sucede.

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

La resistencia en serie podría estar en el transformador, pero luego se suma a la generación de calor dentro de un componente relativamente costoso en el que preferiría intentar 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 tapas de 105C (o mejores) como norma en este tipo de aplicación. 2000 horas+ una buena idea. Vida útil de la tapa ~~~ 2^((Trated-tactual)/10) x Vida útil nominal

¿Estoy en el estadio de béisbol 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 infinitos, lo que conducirá a un mal factor de potencia .

Por desgracia, los transformadores reales tienen mucho, mucho más de 0,5 Ω en el secundario, lo que provoca 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?

Sí. Las fuentes de alimentación reales tienen "caída". (como discutimos en otra parte ¿Cómo dimensionar un transformador de fuente de alimentación?, Transformador reductor de 230 V a 12 V , ¿Por qué los transformadores no están regulados?, Reemplazo de baterías con un adaptador de CA ). El voltaje de salida sin carga de un transformador puede ser un 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 clasificación de solo "10 VCA" porque eso es todo lo que puede producir a plena carga.

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

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

Los 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, por lo que tendrán una salida significativamente 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 costosos con muy baja resistencia tienen una relación de devanado muy cercana a la "ideal" que uno esperaría para una clasificación de voltaje dada. Los transformadores más baratos con mayor resistencia tienen una relación de devanado muy diferente para compensar la caída y lograr la misma clasificación de 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 devanado para que, a la carga nominal, proporcione el voltaje nominal.

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

Después de la resistencia única que sugirió Russell McMahon, el siguiente filtro más simple es un inductor único. Es posible que le interese experimentar insertando un inductor, tal vez de 100 uH, en la línea "hi" después del rectificador y antes de los capacitores. O tal vez colocando el inductor entre C1 y C2, formando un filtro LC "pi" a partir de esos 3 componentes.