Неочевидные проблемы нестабилизированного источника постоянного напряжения

Казалось бы, известная картинка:

Но не всё так просто. Дело в том, что расчёт обмоток производится исходя из предположения, что трансформатор (Тр) будет нагружен постоянно в течение периода. Например, можно подключить к Тр резистор, обмотку другого ТР, двигатель и т.д., но никак не диоды и конденсаторы большой емкости после них. Максимальный выходной ток Тр на активной нагрузке приведет к 10% падению выходного напряжения на вторичной обмотке (это по нормативу). Нас же, прежде всего, интересует источник постоянного напряжения, в смысле на Сф.

То есть у нас есть: Тр, выпрямитель, сглаживающий конденсатор (Сф) и нагрузка R. А это уже совсем другая история!

Как видно из рисунка, ток с Тр снимается импульсами (ia). Для многих это не новость, но вот значение зарядного тока удивит многих.

Как правило, борясь с пульсациями, разработчик ставит Сф большой (и даже очень большой) емкости. Пульсации уменьшаются, но вместе с ними уменьшается и время заряда Сф., а значит, растет и его ток заряда.

Эмпирическая ф-ла может выглядеть так: Iз=Iр*(Uвых/deltaU).

Где: Iз – ток заряда Сф, Iр – ток разряда Сф, Uвых – постоянная составляющая напряжения на Сф, deltaU– пульсация напряжения на Сф (или переменная составляющая).

То есть, если Uвых=40В, deltaU=1В, то при разрядном токе Iр=1А — ток заряда будет 40А! Если же зарядный ток (причем средний, а импульсный еще больше) будет менее 40А, то Сф не успеет зарядиться до пикового значения.

Это легко посчитать: заряд – это произведение тока на время. Заряд при заряде и разряде Сф должны быть равны в пределах периода, иначе выходное напряжение будет уменьшаться (или расти, но в данном случае нам это не грозит).

— но ведь пульсации уменьшаются!

Уменьшаются, и даже зарядный ток Сф далеко не 40А. В чем фокус? На картинке выше имеется одна неточность. Чтобы проиллюстрировать её, пришлось самому внести поправку (красным), в Сети ничего похожего я не нашел:

Пульсации уменьшились, ток заряда тоже (поскольку увеличилось время заряда), но и пиковое значение полупеременного напряжения уменьшилось. Теперь переменное напряжение  выглядит так, как на рисунке внизу (красным). Это не синус, а нечто похожее на трапецию. Коварство этой истории в том, что, как правило, выходное напряжение на вторичной обмотке контролируют вольтметром, который замеряет интегральное значение. А оно то, как раз, изменится несильно, поскольку площадь срезанной «макушки» невелика. Даже вид  на осциллографе может быть похож на синус. Но  в цифровом осциллографе  напряжение измеряется как раз-то амплитудное (PtP). По этому напряжению и можно определить насколько просядет амплитудное значение напряжения на обмотке при подключении к выпрямителю Сф различной емкости. Если этого всего не знать,  можно даже усомниться в правильности множителя 1.41 (коэффициента формы для синуса), для сигнала другой формы, коэффициент будет другой.

Но это еще не вся беда. Представлю вашему вниманию несколько занятных картинок.

Это известный всем выпрямитель, правда, однополупериодный. Почему? Мой Протеус  двуполупериодный не тянет, и я его понимаю: процессы в выпрямителе далеко не простые.

            А здесь, на осциллографе, мы видим искажение формы синуса на вторичной обмотке Тр (желтая линия). Синим показано выходное напряжение. Красным – заряд (импульс — 100мА) \ разряд (средний — 15мА), емкость Сф = 47мкФ. На спектрограммах – соответственно спектр искажений в зависимости от емкости Сф.

Сф = 470мкФ

Пульсации уменьшились, пиковое значение на выходе выпрямителя тоже уменьшились (зеленая линия – пиковое значение переменного напряжения вторичной обмотки на холостом ходу (Uхх)). То есть, с ростом емкости Сф пульсации уменьшаются не за счет подъема «провалившегося» напряжения, а по причине падения напряжения на вторичной обмотке. (Заряд – 280мА, разряд – 18мА). То есть переменная составляющая выходного напряжения уменьшается вместе с постоянной.

Третья картинка:

Сф – 4700uF.

Пульсаций на выходе нет, но и пиковое напряжение уменьшилось. Для сравнения влияния различных значений Сф остальные параметры не менялись. Можно поиграться переменными резисторами (импеданс источника r(с чертой вверху, то есть «r» — величина комплексная, имеющая преимущественно индуктивный характер) и нагрузки (R)), чтоб увидеть полноту картины. И обращаю внимание на то, что «r» зависит  от частоты (как это отразить в симуляторе мне видится затруднительным). Железо трансформатора низкочастотное, а потому при импульсном характере нагрузки «r» будет расти. То есть, в реальности ток заряда будет меньше, чем в симуляторе,  а это приведет  к еще большему, чем на рисунке искажению формы синуса.

Но самое интересное, на мой взгляд,  в этом:

С ростом Сф ухудшается  спектр, во вторичной обмотке.

Выводы:

По Тр.:

1.         Стоит помнить, что занижение индукции при изготовлении Тр приведет к ухудшению спектра, поскольку увеличится импеданс (r) обмоток (уменьшится предельный ток заряда и как следствие — больше исказится форма синуса). С другой стороны мы не знаем, по какой причине искажается форма синуса (то есть ограничивается ток заряда) при заряде Сф: либо это из-за недостатка магнитного потока (что приведет к росту реактивной составляющей r), либо большого активного сопротивления обмоток. Поэтому:

2.         Толщина провода должна быть максимальна (для уменьшения активной составляющей r). При этом стоит помнить, что поле сердечника  ослабляется с ростом расстояния и наружная часть обмотки (если она будет слишком толстой) может оказаться в уже ослабленном поле (уменьшится реактивная составляющая  r). Получится эффект «бутылочного горлышка» и, несмотря на толстый провод, больших токов мы не получим. Опытные мотальщики  знают, какая предельная толщина обмоток допустима для выбранного сердечника.

3.         Падение напряжения на вторичной обмотке сложно рассчитать, поскольку нет данных по нагрузочной способности Тр в режиме импульсного заряда Сф. Есть предположения, что при коротком импульсе тока Тр может сформировать бо́льший ток, нежели при постоянном токе. Мне видится это несколько сомнительным. Если на постоянном токе имеем (например) 2Тл, то откуда возьмутся 4Тл в момент двухкратного, но короткого импульса? К сожалению, знания мои в этой области ограничены, потому ничего не утверждаю.

По Сф:

1.         Сф следует ограничить сверху исходя из максимального выходного тока Тр. Здесь имеем компромисс: или минимум пульсаций выходного напряжения, или минимум помех. Для данного случая очевидно, что оптимальная емкость где-то между 470-4700uF, превышение которой приводит  лишь к увеличению помех.

2.         За малую емкость Тр скажет «Спасибо!»

По диодам:

1.         На выходное напряжение на Сф будет сказываться прямое падение напряжения (Uпр ) на выпрямительных диодах. В момент заряда ток через них будет неприлично большим (надеюсь, я всех в этом убедил) и, как следствие – высокое Uпр. Вполне может быть, например, 1.5В на каждом).

2.         Любимые многими диоды Шоттки только Вольт до 40 имеют низкое Uпр. Уже в корпусах ТО220 Uпр у них мало отличается от Uпр  полупроводниковых диодов.  Вероятно,  в корпусах ДШ соединяют последовательно. Об этом стоит помнить.

3.         В свете вышеизложенного очевидно, что  есть разница, по какой схеме собран выпрямитель. Но это уже другая история.