Corriente de ondulación en un transformador de suministro de energía lineal

Question

Estoy un poco confundido con respecto a las fuentes lineales y sus corrientes de entrada (es decir, en el lado de entrada del regulador de voltaje).

Para empezar, aquí hay un circuito de prueba:

\$R_{bogus}\$ es solo para hacer feliz a LTspice (todos los nodos necesitan una conexión a tierra).
PD: Supongo que debería agregar otro capacitor de entrada para el ruido de alta frecuencia, aunque eso difícilmente sea relevante para esta pregunta (y el esquemático es solo un circuito de prueba muy básico de todos modos). Los objetivos son 0 - 12 V con hasta 2 amperios (1.5 probablemente sería suficiente).

El problema es, dependiendo de cómo lo veas, picos de corriente demasiado grandes, o una caída de voltaje demasiado alta debido a la resistencia en serie. O realmente ambos.

Aquí, el voltaje rojo es la entrada al regulador de voltaje, y el verde/azul es la corriente a través de dos de los diodos rectificadores. Nota cómo el voltaje se reduce mucho (de 15 Vrms - 2 caídas de diodo) debido a la resistencia en serie combinada con los picos de corriente de 5.5 A.
Este gráfico está en la corriente de salida máxima (12 V / 6 \$\Omega\$ de carga) = 1.87 - 1.99 A debido a la ondulación de salida; el voltaje de entrada es demasiado bajo para que se regule correctamente debido a la caída en el secundario.
Por supuesto, los capacitores de suavizado tienen picos similares a los diodos, pero de menor magnitud (~1.8 A).

¿Qué tipo de resistencia en serie tendría el secundario del transformador? Estoy considerando un transformador multitap de 2x 10-15 V, con una clasificación de 2.2 A por secundario (66 VA en total). La hoja de datos lista algunos detalles, pero no la resistencia en serie.

Suponiendo una resistencia en serie de 1 \$\Omega\$ en el secundario (como en la simulación anterior) y 0.11 \$\Omega\$ ESR en los electrolíticos de suavizado (algunas cifras aproximadas que encontré al buscar), termino con algo como lo anterior. Con 0.5 \$\Omega\$ en el secundario, la salida es excelente a 12 V y menos (el objetivo), pero por supuesto los picos de corriente de más de 5 amperios continúan en el lado de entrada.

Entonces, finalmente, las preguntas:

• ¿Estoy en el rango correcto con 0.5 \$\Omega\$ en el secundario, o es el doble más cercano a la verdad? Me doy cuenta de que difiere entre transformadores, por supuesto, pero realmente no puedo encontrar cifras y no tengo nada para medir yo mismo... pero en esta simulación, uno funciona y el otro no.
• ¿Son normales / esperables los picos de corriente de ~5-6 A para una fuente de 2 A? Lo mismo para los capacitores de suavizado (~2.4 A) - supongo que es la especificación de "corriente de ondulación" para los capacitores, ¿verdad?
• ¿Cuánto necesita estar clasificado el transformador para manejar esto? Seguramente no necesito un transformador de 6 amperios para obtener 2 A de salida de CC, ¿verdad? La corriente RMS está por debajo de 2.2 A, pero ¿realmente está bien esto?

Y, aunque esto está prácticamente respondido por lo anterior:

• ¿Debería realmente esperar una caída de voltaje tan grande en la carga? Si los picos están en 5 A, con 0.5-1 \$\Omega\$ en el secundario, obviamente pierdo varios voltios incluso antes del puente rectificador, lo que hace que todo falle (onda de salida masiva).

Answer 1

¿Estoy en el rango correcto con 0.5 Ω en el secundario, o es el doble de eso más cercano a la verdad?

Como señaló Russell McMahon, un transformador "ideal" (con resistencia cero) y un rectificador "perfecto" y un capacitor "perfecto" creará picos de corriente casi infinitos, lo que lleva a un mal factor de potencia.

Lamentablemente, los transformadores reales tienen mucho, mucho más de 0.5 Ω en el secundario, lo que conduce a una caída mucho peor (pero mejor factor de potencia y menos problemas con picos de corriente).

¿Debería esperar realmente una caída de voltaje tan grande en la carga?

Sí. Las fuentes de alimentación reales tienen "caída". (como discutimos en otros lugares Cómo dimensionar un transformador de fuente de alimentación, Transformador reductor de 230V a 12V, ¿Por qué los transformadores no son regulados?, Reemplazo de baterías con un adaptador de CA ). El voltaje de salida en vacío de un transformador puede ser un 50% mayor que el voltaje nominal de salida. Un transformador de la vida real que, como el transformador de tu simulación, dé 15 V en vacío, puede estar clasificado solo como "10 VAC" porque eso es todo lo que puede producir a plena carga.

Si los picos son de 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 (ondulación masiva en la salida).

Sí. Si algún circuito necesita al menos 12 VAC para funcionar correctamente, y tratas de usar un transformador que solo está clasificado para proporcionar "10 VAC" bajo carga, entonces no funcionará, incluso si mides que el transformador produce 15 VAC en vacío.

Los transformadores reales que funcionarán: los transformadores calificados para "12 VAC" bajo carga, no tienen devanados con relación 10:1; pueden tener algo más parecido a una relación 9:1 para compensar la caída, y por lo tanto, tendrán un voltaje más alto que 12 VAC en vacío, tal vez 13 o 18 o 20 VAC.

Diferentes fabricantes producen transformadores con cantidades de resistencia en el secundario muy diferentes. Los transformadores costosos con resistencia muy baja tienen una relación de devanado "ideal" muy cercana a la esperada para una determinada clasificación de voltaje. 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 (bajo carga) menor impresa en ellos.

Para simular correctamente un transformador, debes ajustar tanto la resistencia como la relación de devanado para que, a la carga nominal, dé 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 supresores de EMI", "circuitos de corrección del factor de potencia", y algunas tienen "circuitos de llenado de valle". Todos estos componentes "extra" reducen directa o indirectamente esos picos de corriente.

Después de la resistencia simple que sugirió Russell McMahon, el siguiente filtro más simple es un solo inductor. Podrías estar interesado en experimentar con la inserción de un inductor, quizás de 100 uH, en la línea "hi" después del rectificador y antes de los capacitores. O tal vez colocar el inductor entre C1 y C2, formando un filtro LC en "pi" con esos 3 componentes.

Answer 2

Corto: añade un resistor de 1 ohm en serie con el transformador :-).

Más largo:

Un transformador "perfecto" y un capacitor "perfecto" tendrán picos de corriente infinitos, como creo que te das cuenta.

Mientras que los resultados del mundo real variarán con la "ética y filosofía" del fabricante del transformador, la experiencia del mundo real es que normalmente obtendrás resultados superiores al agregar un pequeño "resistor de propagación del ángulo de conducción" en serie con la alimentación del devanado del transformador a los capacitores. Esto va en contra de lo que puedes esperar desde un punto de vista de eficiencia y a menudo no se hace en la práctica. El cálculo teórico del efecto de dicho resistor es sorprendentemente molesto, pero la simulación mostrará los efectos al instante.

Dado que el nivel de CC medio bajo carga es 0,7071 (= sqrt(2)) de V pico, tienes bastante margen de trabajo y puedes permitirte una cantidad modesta de caída en la resistencia en serie. Hay varios efectos secundarios que pueden ser útiles dependiendo del entorno. La propagación del ángulo de conducción mejora el factor de potencia de la carga, que de otra manera sería muy picuda, pero probablemente no lo suficiente como para marcar la diferencia en cumplir o no con los requisitos formales de factor de potencia. A veces, y más importante aún, la propagación del ángulo de conducción reduce en gran medida las cargas máximas en los diodos y reduce los problemas de CEM (es decir, menos ruido electromagnético radiado) - probablemente no es un efecto intuitivo de agregar unos pocos ohmios de resistencia en serie.

Vamos a jugar un poco con algunas cifras:

Tienes un voltaje secundario de 15 VCA y estás apuntando a 12VDC a 2A.
Supongamos por ahora que alrededor de 15 VDC mínimo en los capacitores de filtro es aceptable (dando al regulador un margen de 3V mínimo).
El pico de tensión es 15 x 1,414 = 21,2 V
La potencia de carga es VI = 12 x 2 = 24 vatios.
Si logras filtrar lo suficiente para lograr aproximadamente unos 20VDC en el capacitor, disiparías Vdrop x I = (20-12)x 2 = 16 vatios en el regulador y "como bono" lograrías una corriente de rizado masiva en los capacitores pero poco voltaje de rizado. Esto no parece una idea maravillosa :-).

Si puedes propagar la conducción sobre el 25% del ciclo de voltaje, la corriente promedio durante la conducción bajará a 4 x Iavg = 8A.

Suponiendo un pico de 21V, la conducción del 25% ocurre a unos 19V de salida del transformador, y una conducción muy útil del 50% ocurre justo por debajo de 15V. Ver gráfico a continuación.

Esto sugiere que insertar incluso un resistor de un ohmio en serie va a tener un efecto sustancial. Si el promedio de 8A que se requiere para el 25% de conducción se cae en 1 ohmio, la caída de voltaje de 8 voltios garantizará que los 8A no ocurran (ya que 21-8 = 13V que es inferior al objetivo de 15V CC en el que se basaba esto).

Si ocurre una conducción del 50% entonces la corriente promedio durante este período será de 4A y la caída promedio en 1 ohm sería de 4V, por lo que esto puede estar "bien" ya que si el capacitor de filtro estaba en aproximadamente 15V obtendrías (21-15)/1 = 6A pico en el pico de la forma de onda - y como el capacitor habrá "subido" en voltaje para entonces, obtendrás menos de 6A). Y así sucesivamente.
Sí, puedes calcular analíticamente qué sucede. Pero, simplemente coloca 1 ohmio en el simulador y mira qué sucede.

Esto tiene el efecto de poner MÁS voltaje de rizado en el(s) capacitor(es), MENOS corriente de rizado, menos pérdidas de regulador y menos pérdidas de transformador, menos EMI de los diodos.

La resistencia en serie podría estar en el transformador, pero entonces agrega generación de calor dentro de un componente relativamente costoso donde preferirías estar tratando de optimizar la transferencia de energía en lugar de la pérdida de calor. Un resistor de 1 ohmio de 5 vatios 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 la cantidad real de calentamiento necesita ser calculada.

Nota que en muchos casos la clasificación de corriente de rizado de dos capacitores es superior a la de un solo capacitor de igual capacitancia total.

Utiliza condensadores de 105C (o superiores) como una práctica a seguir en este tipo de aplicación. Más de 2000 horas es una buena idea. Vida del capacitor ~~~ 2^((Capacitancia_Valorada - Capacitancia_actual)/10) x Vida_Valorada