Courant d'ondulation dans un transformateur d'alimentation linéaire

Je suis un peu confus en ce qui concerne les alimentations linéaires et leurs courants d'entrée (c'est-à-dire du côté entrée du régulateur de tension).

Pour commencer, voici un circuit de test:

$R_{bogus}$est juste de rendre LTspice heureux (tous les nœuds ont besoin d'une connexion à la terre).
BTW, je suppose que je devrais ajouter un autre cap d'entrée pour le bruit haute fréquence - bien que ce ne soit pas vraiment pertinent pour cette question (et le schéma est juste un circuit de test très approximatif de toute façon). Les objectifs sont de 0 à 12 V jusqu'à 2 ampères (1,5 serait probablement suffisant, cependant). La source de tension est 230$V_{rms}$ car c'est ce sur quoi il va fonctionner, et le transformateur est configuré pour simuler ~ 15 V RMS, donc environ 21 V crête.

Le problème est, selon la façon dont vous le voyez, des pics de courant trop importants ou une chute de tension trop élevée en raison de la résistance en série. Ou les deux, vraiment.

Ici, la tension rouge est l' entrée du régulateur de tension et le vert / bleu est le courant à travers deux des diodes du redresseur. Notez comment la tension est beaucoup abaissée (de 15 Veff - 2 gouttes de diode) en raison de la résistance en série combinée aux pics de courant de 5,5 A.
Ce graphique est au courant de sortie maximum (12 V / 6$\Omega$charge) = 1,87 - 1,99 A en raison de l'ondulation de sortie; la tension d'entrée est trop faible pour qu'elle se règle correctement en raison de la chute sur le secondaire.
Bien entendu, les bouchons de lissage ont des pics similaires aux diodes, mais de moindre amplitude (~ 1,8 A).

Quelle sorte de résistance série le secondaire du transformateur aurait-il? Je regarde un transformateur multi-tap 2x 10-15 V, avec 2,2 A par puissance secondaire (66 VA au total). La fiche technique énumère quelques détails, mais pas la résistance en série.

En supposant un 1 $\Omega$ résistance série sur le secondaire (comme dans la simulation ci-dessus) et 0,11 $\Omega$ESR sur le lissage électrolytique (certains chiffres approximatifs que j'ai trouvés lors de la recherche), je me retrouve avec quelque chose comme ce qui précède. Avec 0,5$\Omega$ sur le secondaire, la sortie est excellente à 12 V et moins (la cible), mais bien sûr, les pointes de 5+ amplis restent du côté de l'entrée.

Alors, enfin, les questions:

• Suis-je dans le bon stade avec 0,5 $\Omega$sur le secondaire, ou est-ce deux fois plus proche de la vérité? Je me rends bien compte que cela diffère entre les transformateurs, bien sûr, mais je ne trouve pas vraiment de chiffres et je n'ai rien à mesurer moi-même ... mais dans cette simulation, l'un fonctionne et l'autre non.
• Les pointes actuelles de ~ 5-6 A pour une alimentation de 2 A sont-elles normales / à prévoir? Idem pour les bouchons de lissage (~ 2,4 A) - Je suppose que c'est la spécification de "courant d'ondulation" pour les condensateurs, au fait?
• Combien le transformateur doit-il être évalué pour gérer cela? Je n'ai sûrement pas besoin d'un transformateur de 6 ampères pour obtenir une sortie CC de 2 A? Le RMS actuel est inférieur à 2,2 A, mais est-ce vraiment correct?

Et, bien que cela soit à peu près répondu par ce qui précède:

• Dois-je vraiment m'attendre à une telle chute de tension à charge? Si les pointes sont à 5 A, avec 0,5-1$\Omega$ au secondaire, je perds bien évidemment plusieurs volts avant même le pont redresseur, ce qui fait tout échouer (ondulation massive en sortie).

Bref: ajoutez une résistance de 1 ohm en série avec le transformateur :-).

Plus long:

Un transformateur "parfait" et un condensateur "parfait" auront des pointes de courant infinies, comme vous le savez, je le sais.

Alors que les résultats du monde réel varieront selon «l'éthique et la philosophie» du fabricant du transformateur, l'expérience du monde réel est que vous obtiendrez généralement des résultats supérieurs en ajoutant une petite «résistance d'étalement de l'angle de conduction» en série avec l'alimentation de l'enroulement du transformateur aux condensateurs. Ceci est contre-intuitif à ce que vous pouvez attendre d'un point de vue efficacité et n'est souvent pas fait en pratique. Le calcul théorique de l'effet d'une telle résistance est étonnamment ennuyeux mais la simulation montrera les effets instantanément.

Étant donné que le niveau de courant continu moyen sous charge est de 0,7071 (= sqrt (2)) de pic V, vous avez beaucoup d'espace pour travailler avec et vous pouvez vous permettre une baisse modeste de la résistance en série. Il existe plusieurs effets scondaires qui peuvent être utiles en fonction de l'environnement. La répartition de l'angle de conduction améliore le facteur de puissance de la charge par ailleurs très élevée - mais probablement pas suffisante pour faire une différence dans la satisfaction ou l'échec des exigences formelles du facteur de puissance. Parfois plus important encore, la diffusion de l'angle de conduction réduit considérablement les charges de pointe sur les diodes et réduit les problèmes de CEM (c'est-à-dire moins de bruit électromagnétique rayonné) - probablement pas un effet intuitif de l'ajout de quelques ohms de résistance série.

Jouons avec quelques personnages:

Vous avez une tension secondaire de 15 VCA et visez 12 VCC à 2 A.
Supposons pour l'instant qu'environ 15VDC minimum sur les bouchons de filtre soit acceptable 9 donnant au régulateur 3V minimum de marge).
Vpeak est de 15 x 1,414 = 21,2 V
La puissance de charge est VI = 12 x 2 = 24 Watts.
Si vous réussissiez à filtrer cela suffisamment bien pour atteindre environ 20 V CC sur le capuchon, vous dissiperiez Vdrop x I = (20-12) x 2 = 16 watts dans le régulateur et «en prime», obtenez une ondulation massive ACTUELLE dans les capuchons, mais petite ondulation TENSION. Cela ne semble pas être une merveilleuse idée :-).

Si vous parvenez à répartir la conduction sur 25% du cycle de tension, vous obtiendrez un courant moyen pendant la conduction jusqu'à 4 x Iavg = 8A.

En supposant une crête de 21 V, une conduction de 25% se produit à une sortie de transformateur d'environ 19 V et une conduction de 50% très utile se produit à un peu moins de 15 V. Voir le graphique ci-dessous.

Cela suggère que l'insertion d'une seule résistance série ohm va avoir un effet substantiel. Si la moyenne de 8 A requise pour une conduction de 25% chute sur 1 ohm, la chute de tension de 8 volts garantira que le 8A ne se produira pas (car 21-8 = 13 V, ce qui est inférieur à la cible de 15 V CC, cela était basé sur ).

Si une conduction de 50% se produit, le courant moyen pendant cette période sera de 4A et la chute moyenne sur 1 ohm serait de 4V, ce qui peut être "à peu près juste" comme si le capuchon du filtre était à environ 15V, vous obtiendriez (21-15) / 1 = 6A crête au pic de la forme d'onde - et comme le capuchon aura "ondulé" en tension, vous obtiendrez alors moins de 6A). Etc.
Oui, vous pouvez analyser ce qui se passe. Mais, mettez simplement 1 ohm dans le simulateur et voyez ce qui se passe.

Cela a pour effet de mettre PLUS de tension d'ondulation sur le (s) condensateur (s), MOINS de courant d'ondulation, moins de pertes de régulateur et moins de pertes de transformateur, moins d'EMI de diode.

La résistance en série pourrait être dans le transformateur, mais ajoute ensuite à la génération de chaleur à l'intérieur d'un composant relativement coûteux où vous préférez essayer d'optimiser le transfert de puissance plutôt que la perte de chaleur. Une résistance de 5 watts 1 ohm fonctionnera probablement bien ici. 10W serait plus sûr en raison des pics. par exemple 4A à 50% = I ^ 2R x 50% = 15 = 6W x 0,4 = 8W MAIS la forme d'onde est complexe, le chauffage réel doit donc être calculé.

Notez que dans de nombreux cas, le courant d'ondulation de deux condensateurs est supérieur à celui d'un seul condensateur de capacité totale égale.

Utilisez des capuchons 105C (ou mieux) comme une évidence dans ce type d'application. 2000 heures + une bonne idée. Durée de vie du casque ~~~ 2 ^ ((Trated-tactual) / 10) x Rated_life

Suis-je dans le bon stade avec 0,5 Ω sur le secondaire, ou est-ce deux fois plus proche de la vérité?

Comme l'a souligné Russell McMahon, un transformateur "idéal" (avec une résistance nulle) et un redresseur "parfait" et un condensateur "parfait" créeront des pointes de courant presque infinies, conduisant à un mauvais facteur de puissance .

Hélas, les vrais transformateurs ont beaucoup, beaucoup plus de 0,5 Ω sur le secondaire, ce qui conduit à un statisme bien pire (mais un meilleur facteur de puissance et moins de problèmes avec les pointes de courant).

Dois-je vraiment m'attendre à une telle chute de tension à charge?

Oui. Les vraies alimentations ont "retombé". (comme nous le verrons plus loin Comment dimensionner un transformateur d'alimentation? , 230 V à 12 V étape transformateur abaisseur , Pourquoi les transformateurs non réglementés? , remplacement des piles avec un adaptateur secteur ). La tension de sortie à vide d'un transformateur peut être 50% plus élevée que la tension de sortie nominale. Un transformateur réel qui, comme le transformateur dans votre simulation, fournit 15 V à vide, peut être évalué à seulement "10 VCA" car c'est tout ce qu'il peut éteindre à pleine charge.

Si les pointes sont à 5 A, avec 0,5-1 Ω sur le secondaire, je perds évidemment plusieurs volts avant même le pont redresseur, ce qui fait tout échouer (ondulation de sortie massive).

Oui. Si un circuit a besoin d' au moins 12 VCA pour fonctionner correctement et que vous essayez d'utiliser un transformateur qui est uniquement conçu pour fournir "10 VCA" sous charge, cela ne fonctionnera pas - même si vous mesurez que le transformateur émet 15 VCA. sans charge.

Les vrais transformateurs qui fonctionneront - les transformateurs évalués à «12 VCA» sous charge - n'ont pas d'enroulements de rapport 10: 1; ils peuvent avoir quelque chose de plus proche du rapport 9: 1 pour compenser le statisme, et auront donc une sortie nettement supérieure à 12 VCA sans charge, peut-être 13 ou 18 ou 20 VCA.

Différents fabricants produisent des transformateurs ayant des niveaux de résistance très différents sur le secondaire. Les transformateurs coûteux à très faible résistance ont un rapport d'enroulement "idéal" très proche de celui auquel on peut s'attendre pour une tension nominale donnée. Les transformateurs moins chers avec une résistance plus élevée ont un rapport d'enroulement très différent pour compenser le statisme et atteindre la même tension nominale (sous charge). En d'autres termes, au même rapport d'enroulement, les transformateurs avec une résistance plus élevée auront une tension nominale inférieure (sous charge) imprimée sur le transformateur.

Pour simuler correctement un transformateur, vous devez régler à la fois la résistance et le rapport d'enroulement de sorte que, à la charge nominale, il donne la tension nominale.

Je dérive peut-être un peu hors sujet lorsque je mentionne que de nombreuses alimentations réelles ont des "filtres de ligne" / " bobines d'étranglement " / " filtres de suppression EMI ", " des circuits de correction du facteur de puissance ", et quelques-uns ont des " circuits de remplissage de vallée " . Tous ces composants «supplémentaires» réduisent directement ou indirectement ces pics actuels.

Après la résistance unique suggérée par Russell McMahon, le filtre le plus simple est un inducteur unique. Vous pourriez être intéressé à expérimenter l'insertion d'une inductance, peut-être 100 uH, dans la ligne "hi" après le redresseur et avant les condensateurs. Ou peut-être en plaçant l'inductance entre C1 et C2, formant un filtre LC "pi" à partir de ces 3 composants.