Пульсирующий ток в линейном трансформаторе питания

Я немного запутался в отношении линейных источников питания и их входных токов (т.е. на входной стороне регулятора напряжения).

Для начала вот тестовая схема:

$R_{bogus}$это просто сделать LTspice счастливым (все узлы должны быть подключены к земле).
Кстати, я полагаю, мне следует добавить еще одну заглушку для высокочастотного шума - хотя это вряд ли имеет отношение к этому вопросу (а схема в любом случае - просто очень грубая тестовая схема). Цели: 0 - 12 В при напряжении до 2 А (хотя 1,5, вероятно, вполне достаточно). Источник напряжения 230 так как он будет работать, и трансформатор настроен на симуляцию ~ 15 В среднеквадратичного значения, то есть около 21 В пика.$V_{rms}$

Проблема заключается в том, что в зависимости от того, как вы это видите, слишком большие пики тока или слишком большое падение напряжения из-за последовательного сопротивления. Или и то и другое.

Здесь красное напряжение является входом для регулятора напряжения, а зеленое / синее - это ток через два из выпрямительных диодов. Обратите внимание, как сильно снижается напряжение (от 15 В - 2 падения напряжения на диодах) из-за последовательного сопротивления в сочетании с пиками тока 5,5 А.
Этот график имеет максимальный выходной ток (12 В / 6 нагрузка) = 1,87 - 1,99 А из-за пульсаций на выходе; входное напряжение слишком низкое для правильного регулирования из-за падения напряжения на вторичной обмотке. Конечно, сглаживающие колпачки имеют пики, похожие на диоды, но меньшей величины (~ 1,8 А).$\Omega$

Какое последовательное сопротивление будет иметь вторичная обмотка трансформатора? Я смотрю на 2х 10-15 В многоотводный трансформатор с 2,2 А на вторичную мощность (всего 66 ВА). В паспорте перечислены некоторые детали, но не серии сопротивления.

Предполагая сопротивление серии 1 на вторичной обмотке (как в приведенном выше моделировании) и 0.11 ESR на сглаживающей электролитике (некоторые приблизительные значения, которые я нашел при поиске), я получаю нечто подобное выше. С 0,5$\Omega$$\Omega$$\Omega$ на вторичной обмотке выходной сигнал велик при 12 В и меньше (цель), но, конечно, пики в 5+ ампер остаются на входной стороне.

Итак, наконец, вопросы:

• Я в правильном поле с 0,5 $\Omega$на вторичном, или в два раза ближе к истине? Конечно, я понимаю, что между трансформаторами они различаются, но я не могу найти какие-либо цифры и мне нечего измерить самому ... но в этом симуляции один работает, а другой нет.
• Пики тока ~ 5-6 А для источника 2 А нормальны / ожидаемы? То же самое для сглаживающих колпачков (~ 2,4 А) - кстати, я полагаю, что это «пульсирующий ток» для конденсаторов?
• Сколько нужно оценить трансформатор, чтобы справиться с этим? Конечно, мне не нужен трансформатор на 6 А, чтобы получить 2 A DC? Текущее среднеквадратичное значение ниже 2,2 А, но действительно ли это нормально?

И хотя на это в значительной степени отвечает сказанное выше:

• Стоит ли ожидать такого огромного падения напряжения при нагрузке? Если шипы на 5 А, с 0,5-1$\Omega$ на вторичном, я, очевидно, теряю несколько вольт даже до мостового выпрямителя, что приводит к выходу из строя всего этого (массивная пульсация выходного сигнала).

Коротко: Добавьте резистор на 1 Ом последовательно с трансформатором :-).

Longer:

Как я понимаю, вы понимаете, что «идеальный» трансформатор и «идеальный» конденсатор будут иметь бесконечные пики тока.

В то время как реальные результаты будут отличаться в зависимости от «идеологии и философии» производителя трансформаторов, реальный опыт показывает, что вы, как правило, получите превосходные результаты, добавив небольшой «резистор расширения угла проводимости» последовательно с питающей обмоткой трансформатора к конденсаторам. Это противоречит тому, что вы можете ожидать с точки зрения эффективности, и часто это не делается на практике. Теоретический расчет эффекта такого резистора на удивление раздражает, но симуляция покажет эффекты мгновенно.

Учитывая, что средний уровень постоянного тока под нагрузкой составляет 0,7071 (= sqrt (2)) от пикового значения V, у вас достаточно большой запас для работы и вы можете позволить себе небольшое снижение сопротивления последовательного соединения. Есть несколько побочных эффектов, которые могут быть полезны в зависимости от окружающей среды. Расширение угла проводимости улучшает коэффициент мощности в остальном очень пиковой нагрузки - но, вероятно, недостаточно, чтобы изменить или не соответствовать формальным требованиям к коэффициенту мощности. Иногда, что более важно, расширение угла проводимости значительно уменьшает пиковые нагрузки на диоды и уменьшает проблемы ЭМС (т.е. меньше излучаемого электромагнитного шума) - вероятно, не является интуитивным эффектом добавления нескольких омов последовательного сопротивления.

Давайте поиграем с некоторыми фигурами:

У вас есть вторичное напряжение 15 В переменного тока, и вы стремитесь к 12 В пост. Тока при 2 А.
Предположим на данный момент, что минимум 15 В пост. Тока на крышках фильтров является приемлемым (с учетом минимального запаса 3 В для регулятора).
Vpeak составляет 15 x 1,414 = 21,2 В.
Мощность нагрузки составляет VI = 12 x 2 = 24 Вт.
Если вам удалось отфильтровать это достаточно хорошо, чтобы достичь, скажем, 20 В постоянного тока на крышке, вы бы рассеяли Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 Вт в регуляторе и "в качестве бонуса" достигли сильной пульсации тока в колпачках, но немного пульсации НАПРЯЖЕНИЕ. Это не похоже на изумительную идею :-).

Если вам удастся распространить проводимость на 25% цикла напряжения, вы получите средний ток во время проводимости до 4 x Iavg = 8A.

Предполагая пиковое значение 21 В, 25% проводимости происходит при выходе трансформатора около 19 В, и очень полезная 50% проводимости происходит при напряжении чуть ниже 15 В. Смотрите график ниже.

Это говорит о том, что введение сопротивления даже в один ом будет иметь существенный эффект. Если среднее значение 8A, необходимое для 25% -ной проводимости, падает через 1 Ом, падение напряжения на 8 вольт будет гарантировать, что 8A не произойдет (как 21-8 = 13 В, что ниже, чем целевое значение 15 В постоянного тока, на котором это основывалось ).

Если происходит 50% -ная проводимость, то средний ток в течение этого периода будет 4А, а среднее падение на 1 Ом будет 4В, так что это может быть «примерно правильно», как если бы крышка фильтра была около 15В, вы получите (21-15) / 1 = пик 6А на пике формы сигнала - и, поскольку к этому моменту напряжение в колпачке будет «расти», вы получите менее 6А). И так далее.
Да, вы можете аналитически определить, что происходит. Но просто вставьте 1 Ом в симулятор и посмотрите, что получится.

Это приводит к увеличению напряжения пульсаций на конденсаторе (конденсаторах), снижению пульсаций тока МЕНЬШЕ, меньшим потерям на регуляторе и меньшим потерям на трансформаторе, меньшим электромагнитным помехам на диодах.

Последовательное сопротивление может быть в трансформаторе, но затем увеличивает выработку тепла внутри относительно дорогостоящего компонента, где вы скорее пытаетесь оптимизировать передачу энергии, чем потери тепла. Резистор на 5 Вт с сопротивлением 1 Ом, вероятно, будет работать нормально. 10W будет безопаснее из-за пиков. например, 4A при 50% = I ^ 2R x 50% = 15 = 6 Вт x 0,4 = 8 Вт, НО форма сигнала сложная, поэтому необходимо рассчитать фактический нагрев.

Обратите внимание, что во многих случаях номинальный ток пульсации двух конденсаторов выше, чем у одного конденсатора с равной общей емкостью.

Используйте колпачки 105C (или лучше) как само собой разумеющееся в такого рода приложениях. 2000 часов + хорошая идея. Cap life ~~~ 2 ^ ((Trated-тактический) / 10) x Rated_life

Я в правильном поле с 0,5 Ом на вторичном, или это в два раза ближе к истине?

Как указал Рассел МакМахон, «идеальный» трансформатор (с нулевым сопротивлением), «идеальный» выпрямитель и «идеальный» конденсатор создадут почти бесконечные пики тока, что приведет к плохому коэффициенту мощности .

Увы, реальные вторичные трансформаторы имеют намного больше 0,5 Ом на вторичной обмотке, что приводит к гораздо худшему падению напряжения (но лучшему коэффициенту мощности и меньшим проблемам с пиками тока).

Стоит ли ожидать такого огромного падения напряжения при нагрузке?

Да. Реальные блоки питания имеют «провисание». (как мы обсудим в другом месте Как размерности трансформатора питания? , 230 12В понижающий трансформатор , Почему трансформаторы нерегулируемым? , Замена батарей с помощью адаптера переменного тока ). Выходное напряжение холостого хода трансформатора может быть на 50% выше номинального выходного напряжения. Реальный трансформатор, который, как и трансформатор в вашей симуляции, выдает 15 В без нагрузки, может иметь номинал только «10 В переменного тока», потому что это все, что он может выдержать при полной нагрузке.

Если пики находятся на 5 А, с 0,5-1 Ом на вторичной обмотке, я, очевидно, теряю несколько вольт даже перед мостовым выпрямителем, что приводит к выходу всего из строя (сильная пульсация выходного напряжения).

Да. Если какой-либо цепи требуется как минимум 12 В переменного тока для правильной работы, и вы пытаетесь использовать трансформатор, который рассчитан только для обеспечения «10 В переменного тока» под нагрузкой, то он не будет работать - даже если вы измеряете, что трансформатор выдает 15 В переменного тока без нагрузки.

Реальные трансформаторы, которые будут работать - трансформаторы, рассчитанные на «12 В переменного тока» под нагрузкой, - не имеют обмоток с соотношением 10: 1; они могут иметь что-то более похожее на соотношение 9: 1, чтобы компенсировать спад, и поэтому будут иметь значительно более высокий выход, чем 12 В переменного тока, без нагрузки, возможно, 13, 18 или 20 В переменного тока.

Разные производители выпускают трансформаторы, имеющие сильно различающиеся величины сопротивления на вторичной обмотке. Дорогие трансформаторы с очень низким сопротивлением имеют очень близкое к «идеальному» коэффициенту намотки, который можно ожидать для данного номинального напряжения. Более дешевые трансформаторы с более высоким сопротивлением имеют сильно различающийся коэффициент намотки, чтобы компенсировать падение напряжения и достичь того же (под нагрузкой) номинального напряжения. Другими словами, при одинаковом коэффициенте намотки трансформаторы с более высоким сопротивлением будут иметь более низкое (под нагрузкой) номинальное напряжение, напечатанное на трансформаторе.

Для правильного моделирования трансформатора необходимо отрегулировать как сопротивление, так и коэффициент намотки, чтобы при номинальной нагрузке он давал номинальное напряжение.

Возможно, я немного отклоняюсь от темы, когда упомяну, что многие реальные источники питания имеют «линейные фильтры» / « дроссельные катушки » / « фильтры подавления электромагнитных помех », « цепи коррекции коэффициента мощности », а некоторые из них имеют « схемы заполнения долины » , Все эти «дополнительные» компоненты прямо или косвенно уменьшают эти пики тока.

После того, как Рассел МакМахон предложил единственный резистор, следующим самым простым таким фильтром является одиночный индуктор. Возможно, вам будет интересно поэкспериментировать со вставкой индуктивности, возможно, 100 мкГн, в линию «hi» после выпрямителя и перед конденсаторами. Или, возможно, поместив катушку индуктивности между C1 и C2, сформировав LC-фильтр «pi» из этих трех компонентов.