Arus riak dalam transformator catu daya linier

Saya agak bingung mengenai persediaan linier dan arus input mereka (yaitu di sisi input regulator tegangan).

Untuk mulai dengan, inilah rangkaian tes:

$R_{bogus}$hanya untuk membuat LTspice bahagia (semua node membutuhkan koneksi ke ground).
BTW, saya kira saya harus menambahkan tutup input lain untuk noise frekuensi tinggi - meskipun itu hampir tidak relevan dengan pertanyaan ini (dan skematis hanyalah rangkaian tes yang sangat kasar bagaimanapun). Sasarannya adalah 0 - 12 V hingga 2 amp (1,5 mungkin akan cukup bagus). Sumber tegangan adalah 230$V_{rms}$ karena itulah yang akan berjalan, dan transformator diatur untuk mensimulasikan ~ 15 V RMS, jadi sekitar 21 V puncak.

Masalahnya adalah, tergantung pada bagaimana Anda melihatnya, lonjakan arus terlalu besar, atau terlalu tinggi dari penurunan tegangan karena resistansi seri. Atau keduanya, sungguh.

Di sini, tegangan merah adalah input ke regulator tegangan, dan hijau / biru mengalir melalui dua dioda penyearah. Perhatikan bagaimana tegangan banyak diturunkan (dari 15 Vrms - 2 tetes dioda) karena resistansi seri dikombinasikan dengan puncak arus 5,5 A.
Grafik ini berada pada arus keluaran maksimum (12 V / 6$\Omega$load) = 1,87 - 1,99 A karena riak keluaran; tegangan input terlalu rendah untuk mengatur dengan benar karena drop pada sekunder.
Tentu saja, topi penghalusan memiliki puncak yang mirip dengan dioda, tetapi besarnya lebih rendah (~ 1,8 A).

Seperti apa resistensi seri yang dimiliki transformer sekunder? Saya sedang melihat transformator multi-tap 2x 10-15 V, dengan rating 2,2 A per sekunder (total 66 VA). The lembar data daftar beberapa rincian, tetapi tidak resistansi seri.

Dengan asumsi 1 $\Omega$ resistansi seri pada sekunder (seperti dalam simulasi di atas) dan 0,11 $\Omega$ESR pada electrolytics smoothing (beberapa angka rata-rata yang saya temukan ketika mencari), saya berakhir dengan sesuatu seperti di atas. Dengan 0,5$\Omega$ pada sekunder, outputnya bagus pada 12 V dan kurang (target), tapi tentu saja paku 5+ amp tetap di sisi input.

Jadi, akhirnya, pertanyaannya:

• Apakah saya di stadion baseball yang tepat dengan 0,5 $\Omega$pada yang kedua, atau dua kali lebih dekat dengan kebenaran? Saya menyadari bahwa ini berbeda antara transformator, tentu saja, tetapi saya tidak dapat menemukan angka dan saya tidak dapat mengukur sendiri ... tetapi dalam simulasi ini, yang satu bekerja dan yang lain tidak.
• Apakah lonjakan saat ini ~ 5-6 A untuk suplai 2 A normal / seperti yang diharapkan? Sama untuk tutup smoothing (~ 2,4 A) - Saya berasumsi itu adalah "riak arus" spesifikasi untuk kapasitor, omong-omong?
• Berapa nilai transformator perlu dinilai untuk menangani ini? Tentunya saya tidak perlu transformator 6 amp untuk mengeluarkan 2 A DC? RMS saat ini di bawah 2,2 A, tetapi apakah ini benar-benar baik-baik saja?

Dan, meskipun ini cukup banyak dijawab oleh hal di atas:

• Haruskah saya benar-benar mengharapkan penurunan tegangan yang sangat besar saat memuat? Jika paku berada di 5 A, dengan 0,5-1$\Omega$ pada sekunder, saya jelas kehilangan beberapa volt bahkan sebelum penyearah jembatan, yang menyebabkan semuanya gagal (riak keluaran besar).

Pendek: Tambahkan resistor 1 ohm secara seri dengan transformator :-).

Lebih lama:

Sebuah transformator "sempurna" dan kapasitor 'sempurna "akan memiliki lonjakan arus tak terbatas, seperti yang saya tahu Anda sadari.

Sementara hasil dunia nyata akan bervariasi dengan 'etos dan filosofi' pembuat transformator, pengalaman dunia nyata adalah bahwa Anda biasanya akan mendapatkan hasil yang unggul dengan menambahkan "penghambat penyebaran konduksi sudut" kecil secara seri dengan trafo pemuntir pakan ke kapasitor. Ini berlawanan dengan apa yang Anda harapkan dari sudut pandang efisiensi dan seringkali tidak dilakukan dalam praktik. Perhitungan teoritis efek dari resistor semacam itu secara mengejutkan mengganggu tetapi simulasi akan menunjukkan efek secara instan.

Mengingat bahwa level DC rata-rata di bawah beban adalah 0,7071 (= sqrt (2)) dari puncak V, Anda memiliki ruang kepala yang cukup banyak untuk dikerjakan dan mampu membayar sedikit penurunan resistensi seri. Ada beberapa efek scondary yang mungkin berguna tergantung pada lingkungan. Menyebarkan sudut konduksi meningkatkan faktor daya dari beban yang sebaliknya sangat tinggi - tetapi mungkin tidak cukup untuk membuat perbedaan dalam memenuhi atau gagal persyaratan faktor daya formal. Kadang-kadang lebih penting, menyebarkan sudut konduksi sangat mengurangi beban puncak pada dioda dan mengurangi masalah EMC (yaitu kebisingan elektromagnetik yang kurang terpancar) - mungkin bukan efek intuitif dengan menambahkan beberapa ohm dari resistansi seri.

Mari kita bermain dengan beberapa tokoh:

Anda memiliki tegangan sekunder 15 VAC dan mengarah ke 12VDC pada 2A.
Asumsikan untuk sekarang bahwa sekitar 15VDC minimum pada tutup saringan dapat diterima (memberikan minimum 3V regulator).
Vpeak adalah 15 x 1.414 = 21.2 V
Daya beban adalah VI = 12 x 2 = 24 Watt.
Jika Anda berhasil menyaring ini dengan cukup baik untuk mencapai katakan tentang 20VDC pada tutup Anda akan menghilangkan Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 Watt di regulator dan "sebagai bonus" mencapai riak besar SAAT di topi tetapi VOLTAGE riak kecil. Ini sepertinya bukan ide yang luar biasa :-).

Jika Anda dapat mengatur untuk menyebarkan konduksi lebih dari 25% dari siklus tegangan Anda akan mendapatkan arus rata-rata selama konduksi turun ke 4 x Iavg = 8A.

Dengan asumsi puncak 21V, konduksi 25% terjadi pada output transformator sekitar 19V, dan konduksi 50% yang sangat berguna terjadi tepat di bawah 15V. Lihat grafik di bawah ini.

Ini menunjukkan bahwa memasukkan bahkan satu resistansi seri ohm akan memiliki efek yang substansial. Jika rata-rata 8A yang diperlukan untuk konduksi 25% dijatuhkan pada 1 ohm, jatuh tegangan 8 volt akan memastikan bahwa 8A tidak terjadi (karena 21-8 = 13V yang lebih rendah dari target 15V DC ini didasarkan pada ).

Jika 50% konduksi terjadi maka berarti saat ini selama periode ini akan menjadi 4A dan rata-rata drop di 1 ohm akan menjadi 4V jadi ini mungkin "tentang benar" seolah-olah tutup filter berada di sekitar 15V Anda akan mendapatkan (21-15) / 1 = 6A puncak pada puncak gelombang - dan karena tutupnya telah "berdesir" pada tegangan saat itu Anda akan mendapatkan kurang dari 6A). Dan seterusnya.
Ya, Anda dapat secara analitis mengetahui apa yang terjadi. Tapi, cukup letakkan 1 ohm di simulator dan lihat apa yang terjadi.

Ini memiliki efek menempatkan LEBIH BANYAK tegangan riak pada kapasitor, arus riak KURANG, lebih sedikit regulator kerugian dan lebih sedikit kerugian transformator, lebih sedikit dioda EMI.

Resistansi seri bisa berada di trafo tetapi kemudian menambahkan panas yang dihasilkan di dalam komponen yang relatif mahal di mana Anda lebih suka mencoba mengoptimalkan transfer daya daripada kehilangan panas. Sebuah resistor 5 Watt 1 ohm mungkin akan bekerja OK di sini. 10W akan lebih aman karena puncak. misalnya 4A pada 50% = I ^ 2R x 50% = 15 = 6W x 0.4 = 8W TETAPI bentuk gelombang adalah kompleks sehingga pemanasan aktual perlu dihitung.

Perhatikan bahwa dalam banyak kasus, nilai arus riak dari dua kapasitor lebih unggul daripada kapasitor tunggal dengan kapasitansi total yang sama.

Gunakan topi 105C (atau lebih baik) sebagai hal biasa dalam aplikasi semacam ini. 2000 jam + ide yang bagus. Cap life ~~~ 2 ^ ((Trated-tactual) / 10) x Rated_life

Apakah saya berada di stadion baseball kanan dengan 0,5 Ω di posisi kedua, atau dua kali lebih dekat dengan kebenaran?

Seperti yang ditunjukkan Russell McMahon, transformator "ideal" (dengan nol resistansi) dan "penyearah" sempurna "dan kapasitor" sempurna "akan menciptakan lonjakan arus yang hampir tak terbatas, yang mengarah ke faktor daya yang buruk .

Sayangnya, transformator nyata memiliki jauh lebih banyak, lebih dari 0,5 Ω pada sekunder, menyebabkan penurunan yang jauh lebih buruk (tetapi faktor daya yang lebih baik dan lebih sedikit masalah dengan lonjakan saat ini).

Haruskah saya benar-benar mengharapkan penurunan tegangan yang sangat besar saat memuat?

Iya. Catu daya nyata memiliki "droop". (seperti yang kita bahas di tempat lain Bagaimana dimensi transformator catu daya? , 230V ke 12V langkah transformator , Mengapa transformer tidak diatur? , Mengganti Baterai Dengan Adapter AC ). Tegangan keluaran tanpa beban transformator dapat 50% lebih tinggi dari tegangan keluaran terukur. Sebuah transformator kehidupan nyata yang, seperti transformator dalam simulasi Anda, memberikan 15 V tanpa beban, dapat dinilai hanya "10 VAC" karena hanya itu yang dapat dikeluarkan pada beban penuh.

Jika paku berada pada 5 A, dengan 0,5-1 Ω pada sekunder, saya jelas kehilangan beberapa volt bahkan sebelum penyearah jembatan, yang menyebabkan semuanya gagal (riak keluaran besar).

Iya. Jika beberapa rangkaian membutuhkan setidaknya 12 VAC untuk berjalan dengan baik, dan Anda mencoba menggunakan transformator yang hanya diberi peringkat untuk memberikan "10 VAC" di bawah beban, maka itu tidak akan berfungsi - bahkan jika Anda mengukur bahwa transformator mengeluarkan 15 VAC tanpa beban.

Transformator nyata yang akan berfungsi - transformator dengan peringkat "12 VAC" di bawah beban - tidak memiliki belitan rasio 10: 1; mereka mungkin memiliki sesuatu yang lebih seperti rasio 9: 1 untuk mengimbangi terkulai, dan begitu juga akan secara signifikan lebih tinggi dari 12 output VAC tanpa beban, mungkin 13 atau 18 atau 20 VAC.

Pabrikan yang berbeda menghasilkan trafo memiliki jumlah resistensi yang sangat berbeda pada yang kedua. Transformator yang mahal dengan resistansi yang sangat rendah sangat dekat dengan rasio belitan "ideal" yang diharapkan untuk peringkat tegangan tertentu. Transformator yang lebih murah dengan tahanan yang lebih tinggi memiliki rasio belitan yang jauh berbeda untuk mengimbangi droop dan mencapai peringkat tegangan yang sama (di bawah beban). Dengan kata lain, pada rasio belitan yang sama, transformator dengan tahanan yang lebih tinggi akan memiliki peringkat tegangan yang lebih rendah (di bawah beban) yang dicetak pada transformator.

Untuk mensimulasikan transformator dengan benar, Anda harus menyesuaikan tahanan dan rasio belitan sehingga, pada beban pengenal, memberi tegangan pengenal.

Saya mungkin sedikit melayang keluar-topik ketika saya menyebutkan bahwa banyak catu daya nyata memiliki "garis filter" / " kumparan tersumbat " / " filter penekan EMI ", " sirkuit koreksi faktor daya ", dan beberapa memiliki " sirkuit lembah mengisi" " . Semua komponen "ekstra" ini secara langsung atau tidak langsung mengurangi lonjakan arus tersebut.

Setelah disarankan oleh resistor tunggal Russell McMahon, filter yang paling sederhana berikutnya adalah induktor tunggal. Anda mungkin tertarik untuk bereksperimen dengan memasukkan induktor, mungkin 100 uH, di baris "hai" setelah penyearah dan sebelum kapasitor. Atau mungkin menempatkan induktor antara C1 dan C2, membentuk filter "pi" LC dari 3 komponen tersebut.