线性电源变压器中的纹波电流

电器工程 电源 当前的
2022-01-30 11:17:03

我对线性电源及其输入电流（即电压调节器的输入侧）有点困惑。

首先，这是一个测试电路：

电路原理图
Rbogus只是为了让 LTspice 开心（所有节点都需要接地）。
顺便说一句，我想我应该为高频噪声添加另一个输入上限——尽管这与这个问题几乎没有关系（无论如何，原理图只是一个非常粗略的测试电路）。目标是 0 - 12 V，最高 2 安培（不过，1.5 可能就足够了）。电压源为230Vrms因为这就是它将运行的原因，并且变压器设置为模拟〜15 V RMS，因此峰值约为21 V。

问题在于，根据您的看法，电流尖峰过大或串联电阻引起的电压降过高。或者两者兼而有之，真的。

电压/电流图
这里，红色电压是电压调节器的输入，绿色/蓝色是通过两个整流二极管的电流。请注意，由于串联电阻与 5.5 A 电流峰值相结合，电压如何大幅降低（从 15 Vrms - 2 个二极管压降）。
该图是在最大输出电流（12 V / 6Ω负载）= 1.87 - 1.99 A，由于输出纹波；由于次级上的压降，输入电压太低而无法正常调节。
当然，平滑电容的峰值与二极管相似，但幅度较低（~1.8 A）。

变压器的次级会有什么样的串联电阻？我正在看一个 2x 10-15 V 多抽头变压器，每个次级额定值为 2.2 A（总共 66 VA）。数据表列出了一些细节，但没有列出串联电阻。

假设 1Ω次级串联电阻（如上面的模拟）和 0.11Ω平滑电解液上的 ESR（我在搜索时发现的一些大致数字），我最终得到了类似上面的结果。0.5Ω在次级上，输出在 12 V 或更低（目标）时非常好，但当然 5+ 安培尖峰仍保留在输入侧。

所以，最后，问题：

  • 我在正确的球场上是否有 0.5Ω在次要上，还是更接近真相的两倍？当然，我确实意识到变压器之间的情况有所不同，但我真的找不到任何数字，我也没有什么可以衡量的……但在这个模拟中，一个有效，另一个无效。
  • 2 A 电源的约 5-6 A 电流峰值是否正常/可以预期？平滑电容（~2.4 A）也是如此——顺便说一下，我认为这是电容器的“纹波电流”规格？
  • 变压器需要额定多少才能处理这个问题？当然，我不需要 6 安培的变压器来输出 2 安培的直流电吗？当前 RMS 低于 2.2 A，但这真的可以吗？

而且，尽管上面已经回答了这个问题：

  • 我真的应该期待如此巨大的负载电压降吗？如果尖峰为 5 A，则为 0.5-1Ω在次级上，我显然甚至在桥式整流器之前损失了多个伏特，这导致整个事情发生故障（大量输出纹波）。
2个回答

短路：添加一个与变压器串联的 1 欧姆电阻 :-)。

更长：

我知道你意识到，一个“完美”的变压器和“完美”的电容器会有无限的电流尖峰。

虽然现实世界的结果会因变压器制造商的“精神和理念”而异，但现实世界的经验是，通过在变压器绕组馈电到电容器中串联一个小的“传导角扩展电阻器”，您通常会获得更好的结果。从效率的角度来看，这与您可能期望的结果相反，并且在实践中通常不会这样做。这种电阻器效应的理论计算令人惊讶地烦人，但模拟会立即显示效果。

鉴于负载下的平均直流电平为 V 峰值的 0.7071 (= sqrt(2) )，您有相当多的工作余量可以承受串联电阻的适度下降。根据环境的不同，有几种可能有用的次要效果。扩展导通角可以提高原本非常峰值负载的功率因数——但可能不足以在满足或未能满足正式的功率因数要求方面有所作为。有时更重要的是，扩展导通角大大降低了二极管上的峰值负载并减少了 EMC 问题（即更少的辐射电磁噪声）——这可能不是增加几欧姆串联电阻的直观效果。

让我们玩一些数字：

您的二次电压为 15 VAC，目标为 12VDC，电流为 2A。
现在假设滤波器帽上的最小 15VDC 是可以接受的 9 给调节器 3V 的最小裕量）。
Vpeak 为 15 x 1.414 = 21.2 V
负载功率为 VI = 12 x 2 = 24 瓦。
如果您设法过滤得足够好以在电容上实现大约 20VDC，您将在稳压器中耗散 Vdrop x I = (20-12)x 2 = 16 瓦，并且“作为奖励”在电容上实现巨大的纹波电流，但小纹波电压。这似乎不是一个了不起的想法:-)。

如果您能够设法将导通分布在电压周期的 25% 上，您将在导通期间获得低至 4 x Iavg = 8A 的平均电流。

假设 21V 峰值，25% 的导通发生在大约 19V 的变压器输出，一个非常有用的 50% 的导通发生在 15V 以下。见下图。

在此处输入图像描述

这表明即使插入一个欧姆串联电阻也会产生重大影响。如果 25% 导通所需的 8A 平均值下降到 1 欧姆，则 8 伏电压降将确保不会发生 8A（因为 21-8 = 13V，低于 15V DC 目标，这是基于）。

如果发生 50% 的导通，则此期间的平均电流将为 4A，而 1 ohm 的平均压降为 4V，因此这可能“大约正确”，就好像滤波器帽的电压约为 15V，您会得到 (21-15)/ 1 = 波形峰值处的 6A 峰值 - 由于电容的电压将“波动”，届时您将获得小于 6A 的电流）。等等。
是的，您可以通过分析计算出会发生什么。但是，只需在模拟器中输入 1 欧姆，看看会发生什么。

这具有在电容器上施加更多纹波电压、更少纹波电流、更少调节器损耗和更少变压器损耗、更少二极管 EMI 的效果。

串联电阻可能存在于变压器中，但随后会在相对昂贵的组件内增加热量产生，您宁愿尝试优化功率传输而不是热损失。一个 5 瓦 1 欧姆的电阻器在这里可能工作正常。由于峰值，10W会更安全。例如 4A at 50% = I^2R x 50% = 15=6W x 0.4 = 8W 但波形很复杂，因此需要计算实际加热。

请注意，在许多情况下，两个电容器的纹波电流额定值优于总电容相等的单个电容器的额定纹波电流。

在此类应用中理所当然地使用 105C（或更好）的瓶盖。2000 小时+ 一个好主意。上限寿命~~~ 2^((Trated-tactual)/10) x Rated_life

我是在正确的范围内，次级电阻为 0.5 Ω，还是更接近事实的两倍？

正如 Russell McMahon 指出的那样，一个“理想”的变压器（电阻为零）和一个“完美的”整流器以及一个“完美的”电容器将产生几乎无限的电流尖峰，从而导致功率因数变差。

唉，真正的变压器在次级上的电阻远远超过 0.5 Ω，从而导致更差的下降（但更好的功率因数和更少的电流尖峰问题）。

我真的应该期待如此巨大的负载电压降吗？

是的。真正的电源有“下垂”。（正如我们在其他地方讨论 的如何确定电源变压器的尺寸？， 230V 至 12V 降压变压器， 为什么变压器不受监管？， 用交流适配器更换电池 ）。变压器的空载输出电压可以比额定输出电压高50%。一个真实的变压器，就像您模拟中的变压器一样，在空载时提供 15 V 的电压，可能只有“10 VAC”的额定值，因为这就是它在满载时所能输出的全部。

如果尖峰为 5 A，次级为 0.5-1 Ω，我显然会在桥式整流器之前损失多个伏特，这会导致整个事情发生故障（大量输出纹波）。

是的。如果某些电路需要至少 12 VAC 才能正常运行，并且您尝试使用仅额定在负载下提供“10 VAC”的变压器，那么它将无法正常工作——即使您测量变压器输出 15 VAC空载。

真正可以工作的变压器——在负载下额定为“12 VAC”的变压器——没有 10:1 的绕组比；它们可能具有更像 9:1 的比率来补偿下垂，因此在空载时的输出将显着高于12 VAC，可能为 13、18 或 20 VAC。

不同制造商生产的变压器的次级电阻值差异很大。具有非常低电阻的昂贵变压器具有非常接近给定额定电压所期望的“理想”绕组比。具有更高电阻的更便宜的变压器具有不同的绕组比，以补偿下垂并实现相同的（负载下）额定电压。换句话说，在相同的绕组比下，具有较高电阻的变压器将具有较低的（负载下）印在变压器上的额定电压。

要正确模拟变压器，您必须调整电阻和绕组比，以便在额定负载下提供额定电压。

当我提到许多实际电源具有“线路滤波器”/“扼流圈”/“ EMI 抑制滤波器”、“功率因数校正电路”以及少数具有“填谷电路”时，我可能有点跑题了. 所有这些“额外”组件都直接或间接地减少了这些电流尖峰。

在 Russell McMahon 建议的单个电阻器之后，下一个最简单的此类滤波器是单个电感器。您可能有兴趣尝试在整流器之后和电容器之前的“hi”线中插入一个可能为 100 uH 的电感器。或者也许将电感器放置在 C1 和 C2 之间，从这 3 个组件中形成一个 LC“pi”滤波器。

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