Welligkeitsstrom in einem linearen Netzteiltransformator

Ich bin etwas verwirrt in Bezug auf lineare Versorgungen und deren Eingangsströme (dh auf der Eingangsseite des Spannungsreglers).

Hier ist zunächst eine Testschaltung:

$R_{bogus}$ soll LTspice nur glücklich machen (alle Knoten benötigen eine Verbindung zur Erde).
Übrigens, ich denke, ich sollte eine weitere Eingangskappe für Hochfrequenzrauschen hinzufügen - obwohl das für diese Frage kaum relevant ist (und der Schaltplan ist sowieso nur eine sehr grobe Testschaltung). Die Ziele sind 0 - 12 V bei bis zu 2 Ampere (1,5 wären wahrscheinlich gut genug). Die Spannungsquelle ist 230 da sie damit betrieben wird, und der Transformator ist so eingestellt, dass er ~ 15 V RMS simuliert, also ungefähr 21 V Spitze.$V_{rms}$

Das Problem ist, je nachdem, wie Sie es sehen, zu große Stromspitzen oder ein zu hoher Spannungsabfall aufgrund des Serienwiderstands. Oder beides wirklich.

Hier ist die rote Spannung der Eingang zum Spannungsregler und die grün / blaue Spannung durch zwei der Gleichrichterdioden. Beachten Sie, wie die Spannung aufgrund des Serienwiderstands in Kombination mit den Stromspitzen von 5,5 A stark gesenkt wird (von 15 Veff - 2 Diodentropfen).
Dieses Diagramm hat einen maximalen Ausgangsstrom (12 V / 6 Last) = 1,87 - 1,99 A aufgrund der Ausgangswelligkeit; Die Eingangsspannung ist zu niedrig, als dass sie aufgrund des Abfalls auf der Sekundärseite richtig geregelt werden könnte. Natürlich haben die Glättungskappen Spitzen ähnlich den Dioden, aber eine geringere Größe (~ 1,8 A).$\Omega$

Welchen Serienwiderstand hätte die Sekundärwicklung des Transformators? Ich sehe einen 2x 10-15 V Multi-Tap-Transformator mit 2,2 A pro Sekundärnennleistung (insgesamt 66 VA). Das Datenblatt enthält einige Details, jedoch keinen Serienwiderstand.

Unter der Annahme eines 1 Serienwiderstands auf der Sekundärseite (wie in der obigen Simulation) und eines 0,11 ESR auf der Glättungselektrolyse (einige Ballpark-Zahlen, die ich bei der Suche gefunden habe), erhalte ich am Ende etwas Ähnliches. Mit 0,5 auf der Sekundärseite ist der Ausgang bei 12 V und weniger (dem Ziel) großartig, aber natürlich bleiben die 5+ Ampere-Spitzen auf der Eingangsseite.Ω $\Omega$$\Omega$$\Omega$

Also endlich die Fragen:

• Bin ich mit 0,5 auf der Sekundärseite im richtigen Stadion oder ist ich der Wahrheit doppelt so nahe? Mir ist klar, dass es natürlich zwischen Transformatoren unterschiedlich ist, aber ich kann keine Zahlen finden und ich habe nichts zu messen ... aber in dieser Simulation funktioniert einer und der andere nicht.$\Omega$
• Sind die Stromspitzen von ~ 5-6 A für eine 2 A-Versorgung normal / zu erwarten? Gleiches gilt für die Glättungskappen (~ 2,4 A) - Ich gehe übrigens davon aus, dass dies die "Welligkeitsstrom" -Spezifikation für Kondensatoren ist.
• Wie viel muss der Transformator dafür ausgelegt sein? Sicherlich brauche ich keinen 6-Ampere-Transformator, um 2 A Gleichstrom herauszuholen? Der aktuelle Effektivwert liegt unter 2,2 A, aber ist das wirklich in Ordnung?

Und obwohl dies so ziemlich durch das Obige beantwortet wird:

• Sollte ich wirklich mit einem so großen Spannungsabfall unter Last rechnen? Wenn die Spitzen bei 5 A liegen, mit 0,5-1 auf der Sekundärseite, verliere ich offensichtlich mehrere Volt, noch vor dem Brückengleichrichter, was dazu führt, dass das Ganze ausfällt (massive Ausgangswelligkeit).$\Omega$

Kurzschluss: Fügen Sie einen 1-Ohm-Widerstand in Reihe mit dem Transformator hinzu :-).

Länger:

Ein "perfekter" Transformator und ein "perfekter" Kondensator haben unendlich viele Stromspitzen, wie Sie wissen.

Während die Ergebnisse der realen Welt mit dem Ethos und der Philosophie des Transformatorherstellers variieren, ist die Erfahrung der realen Welt, dass Sie normalerweise überlegene Ergebnisse erzielen, wenn Sie einen kleinen "Leitungswinkel-Spreizwiderstand" in Reihe mit der Transformatorwicklungsspeisung zu den Kondensatoren hinzufügen. Dies ist nicht intuitiv zu dem, was Sie unter Effizienzgesichtspunkten erwarten können, und wird in der Praxis häufig nicht durchgeführt. Die theoretische Berechnung der Wirkung eines solchen Widerstands ist überraschend ärgerlich, aber die Simulation zeigt die Wirkungen sofort.

Angesichts der Tatsache, dass der mittlere Gleichstrompegel unter Last 0,7071 (= sqrt (2)) des V-Peaks beträgt, haben Sie ziemlich viel Headroom zum Arbeiten und können sich einen bescheidenen Abfall des Serienwiderstands leisten. Es gibt verschiedene Nebeneffekte, die je nach Umgebung nützlich sein können. Das Ausbreiten des Leitungswinkels verbessert den Leistungsfaktor der ansonsten sehr spitzenlastigen Last - aber wahrscheinlich nicht genug, um die formalen Leistungsfaktoranforderungen zu erfüllen oder nicht zu erfüllen. Manchmal, was noch wichtiger ist, reduziert die Streuung des Leitungswinkels die Spitzenlasten der Dioden erheblich und reduziert EMV-Probleme (dh weniger abgestrahltes elektromagnetisches Rauschen) - wahrscheinlich kein intuitiver Effekt, wenn ein paar Ohm Serienwiderstand hinzugefügt werden.

Spielen wir mit einigen Figuren:

Sie haben eine Sekundärspannung von 15 VAC und streben 12 VDC bei 2A an.
Nehmen Sie vorerst an, dass ein Minimum von etwa 15 VDC an den Filterkappen akzeptabel ist (9, wenn der Regler mindestens 3 V Headroom hat).
Vpeak ist 15 x 1,414 = 21,2 V
Die Lastleistung beträgt VI = 12 x 2 = 24 Watt.
Wenn Sie es schaffen würden, dies gut genug zu filtern, um etwa 20 VDC an der Kappe zu erreichen, würden Sie Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 Watt im Regler ableiten und "als Bonus" aber einen massiven Welligkeitsstrom in den Kappen erzielen kleine Welligkeit SPANNUNG. Das scheint keine wunderbare Idee zu sein :-).

Wenn Sie es schaffen, die Leitung über 25% des Spannungszyklus zu verteilen, erhalten Sie während der Leitung einen mittleren Strom bis zu 4 x Iavg = 8A.

Unter der Annahme einer Spitze von 21 V tritt eine Leitung von 25% bei einer Transformatorleistung von etwa 19 V auf, und eine sehr nützliche Leitung von 50% tritt bei knapp 15 V auf. Siehe Grafik unten.

Dies deutet darauf hin, dass das Einfügen von nur einem Ohm-Serienwiderstand einen erheblichen Effekt haben wird. Wenn der 8A-Mittelwert, der für eine 25% ige Leitung erforderlich ist, über 1 Ohm abfällt, stellt der 8-Volt-Spannungsabfall sicher, dass der 8A nicht auftritt (21-8 = 13 V, was niedriger ist als das 15-V-DC-Ziel, auf dem dies basiert ).

Wenn eine Leitung von 50% auftritt, beträgt der mittlere Strom während dieses Zeitraums 4 A und der mittlere Abfall über 1 Ohm 4 V, so dass dies "ungefähr richtig" sein kann, als ob die Filterkappe bei ungefähr 15 V wäre, die Sie erhalten würden (21-15) / 1 = 6A Spitze bei Wellenformspitze - und da die Spannung der Kappe bis dahin "hochgekräuselt" ist, erhalten Sie weniger als 6A). Und so weiter.
Ja, Sie können analytisch herausfinden, was passiert. Aber legen Sie einfach 1 Ohm in den Simulator und sehen Sie, was passiert.

Dies hat zur Folge, dass MEHR Welligkeitsspannung an den Kondensator (en) angelegt wird, WENIGER Welligkeitsstrom, weniger Reglerverluste und weniger Transformatorverluste, weniger Dioden-EMI.

Der Serienwiderstand könnte sich im Transformator befinden, erhöht dann aber die Wärmeerzeugung in einer relativ kostspieligen Komponente, in der Sie lieber versuchen möchten, die Energieübertragung als den Wärmeverlust zu optimieren. Ein 5 Watt 1 Ohm Widerstand wird hier wahrscheinlich in Ordnung funktionieren. 10 W wären aufgrund von Spitzen sicherer. zB 4A bei 50% = I ^ 2R x 50% = 15 = 6W x 0,4 = 8W ABER die Wellenform ist komplex, so dass die tatsächliche Erwärmung berechnet werden muss.

Es ist zu beachten, dass in vielen Fällen die Welligkeitsstromstärke von zwei Kondensatoren der eines einzelnen Kondensators mit gleicher Gesamtkapazität überlegen ist.

Verwenden Sie bei dieser Art von Anwendung selbstverständlich 105C-Kappen (oder besser). 2000 Stunden + eine gute Idee. Cap Life ~~~ 2 ^ ((Trated-Tactual) / 10) x Rated_life

Bin ich mit 0,5 Ω auf der Sekundärseite im richtigen Stadion oder ist ich der Wahrheit doppelt so nahe?

Wie Russell McMahon betonte, erzeugen ein "idealer" Transformator (mit null Widerstand) und ein "perfekter" Gleichrichter "und ein" perfekter "Kondensator nahezu unendliche Stromspitzen, was zu einem schlechten Leistungsfaktor führt .

Leider haben echte Transformatoren auf der Sekundärseite viel, viel mehr als 0,5 Ω, was zu einem viel schlechteren Abfall führt (aber zu einem besseren Leistungsfaktor und weniger Problemen mit Stromspitzen).

Sollte ich wirklich mit einem so großen Spannungsabfall unter Last rechnen?

Ja. Echte Netzteile haben "Statik". (wie wir an anderer Stelle diskutieren Wie ein Netztransformator dimensionieren? , 230 V bis 12 V Schritt nach unten Transformator , Warum Transformatoren nicht reguliert? , Austauschen der Batterien mit einem AC - Adapter ). Die Leerlaufausgangsspannung eines Transformators kann 50% höher sein als die Nennausgangsspannung. Ein realer Transformator, der wie der Transformator in Ihrer Simulation 15 V ohne Last liefert, kann nur mit "10 VAC" bewertet werden, da dies alles ist, was er bei Volllast ausgeben kann.

Wenn die Spitzen bei 5 A liegen, mit 0,5-1 Ω auf der Sekundärseite, verliere ich offensichtlich mehrere Volt, noch vor dem Brückengleichrichter, was dazu führt, dass das Ganze ausfällt (massive Ausgangswelligkeit).

Ja. Wenn einige Schaltung braucht mindestens 12 VAC zu laufen richtig, und Sie versuchen , einen Transformator zu verwenden , die nur bewertet ist „10 VAC“ unter Last zu liefern, dann ist es nicht zur Arbeit gehen - auch wenn Sie messen , dass der Transformator puts out 15 VAC ohne Last.

Echte Transformatoren, die funktionieren - Transformatoren, die unter Last für "12 VAC" ausgelegt sind - haben keine Wicklungen mit einem Verhältnis von 10: 1; Sie haben möglicherweise ein Verhältnis von 9: 1, um den Abfall auszugleichen, und haben daher ohne Last eine deutlich höhere Ausgangsleistung als 12 VAC, möglicherweise 13 oder 18 oder 20 VAC.

Verschiedene Hersteller stellen Transformatoren her, die auf der Sekundärseite sehr unterschiedliche Widerstände aufweisen. Teure Transformatoren mit sehr geringem Widerstand haben sehr nahe an dem "idealen" Wicklungsverhältnis, das man für eine gegebene Nennspannung erwarten würde. Billigere Transformatoren mit höherem Widerstand haben ein sehr unterschiedliches Wicklungsverhältnis, um den Abfall auszugleichen und die gleiche Nennspannung (unter Last) zu erreichen. Mit anderen Worten, bei gleichem Wicklungsverhältnis haben Transformatoren mit höherem Widerstand eine niedrigere Nennspannung (unter Last) auf dem Transformator.

Um einen Transformator korrekt zu simulieren, müssen Sie sowohl den Widerstand als auch das Wicklungsverhältnis so einstellen, dass er bei Nennlast die Nennspannung ergibt.

Ich kann ein wenig vom Thema abweichen, wenn ich erwähne, dass viele echte Netzteile "Netzfilter" / " Drosselspulen " / " EMI-Unterdrückungsfilter ", " Leistungsfaktorkorrekturschaltungen " und einige " Talfüllschaltungen " haben. . Alle diese "zusätzlichen" Komponenten reduzieren direkt oder indirekt diese Stromspitzen.

Nachdem der Einzelwiderstand Russell McMahon vorgeschlagen hatte, ist der nächst einfachere Filter ein einzelner Induktor. Möglicherweise möchten Sie mit dem Einfügen eines Induktors, möglicherweise 100 uH, in die "Hi" -Leitung nach dem Gleichrichter und vor den Kondensatoren experimentieren. Oder vielleicht platzieren Sie den Induktor zwischen C1 und C2 und bilden aus diesen 3 Komponenten einen LC "pi" -Filter.