Jak wydajny jest zasilacz pojemnościowy?

Coś takiego

Falstad w wersji SIM

(Jestem zmęczony, wciąż popełniam błędy, więc proszę mi wybaczyć po raz drugi).

Teraz nie są to bardzo bezpieczne zasilacze ze względu na brak izolacji. Ale w zamkniętych jednostkach mogą być tanim sposobem na uzyskanie napięcia zasilania mikrokontrolera bez SMPS lub transformatora.

Nie są w 100% sprawne ze względu na zenera i oporniki. Ale mam kilka pytań.

1. W jaki sposób kondensator obniża napięcie? Czy marnuje energię jak ciepło?
2. Gdyby Zenera nie było i pozwoliłby, aby moc wyjściowa oscylowała wokół 50 V, czy osiągnęłaby 100% wydajność?

Obwód ten należy do kategorii obwodów zwanych „beztransformatorowym zasilaczem prądu przemiennego na prąd stały” lub „obwodem zraszającym CR”. Aby zapoznać się z innymi przykładami, zobacz „Massmind: Beztransformatorowy zasilacz prądu przemiennego na prąd stały” lub „Massmind: Beztransformatorowa konwersja pojemnościowej mocy spadowej ” lub „ST AN1476: Tani zasilacz do urządzeń domowych” .

Takie urządzenie ma współczynnik mocy bliski 0, co budzi wątpliwości, czy spełnia on określone przez UE przepisy dotyczące współczynnika mocy, takie jak EN61000-3-2. Co gorsza, gdy takie urządzenie jest podłączone do zasilacza UPS o „fali prostokątnej” lub „zmodyfikowanej fali sinusoidalnej”, ma znacznie wyższe rozproszenie mocy (gorsza wydajność) niż po podłączeniu do zasilania sieciowego - jeśli osoba, która buduje ten obwód, nie wybierz rezystory bezpieczeństwa i zenera wystarczająco duże, aby poradzić sobie z tą dodatkową mocą, mogą się przegrzać i zawieść. Te dwie wady mogą być powodem, dla którego niektórzy inżynierowie uważają technikę „kroplomierza CR” za „ podejrzaną i niebezpieczną ”.

Jak kondensator obniża napięcie?

Istnieje kilka sposobów wyjaśnienia tego. Jeden sposób (być może nie najbardziej intuicyjny):

Jedna noga kondensatora jest przymocowana (poprzez rezystor bezpieczeństwa) do „gorącej” sieci, która oscyluje przy ponad 100 VAC. Druga noga kondensatora jest podłączona do czegoś, co zawsze znajduje się w odległości kilku woltów od ziemi. Gdyby wejściem był prąd stały, wówczas kondensator całkowicie zablokowałby przepływ prądu przez niego. Ale ponieważ wejściem jest prąd przemienny, kondensator przepuszcza przez niego niewielką ilość prądu (proporcjonalnie do jego pojemności). Ilekroć mamy napięcie na elemencie i przepływający przez niego prąd, my, elektronika, nie jesteśmy w stanie oprzeć się obliczeniu skutecznej impedancji na podstawie prawa Ohma:

(Zwykle mówimy R = V / I, ale lubimy używać Z, gdy mówimy o impedancji kondensatorów i cewek. To tradycja, dobrze?)

Jeśli zastąpisz ten kondensator „rezystorem równoważnym” o rzeczywistej impedancji R równej impedancji bezwzględnej Z tego kondensatora, „ten sam” prąd (RMS AC) przepłynie przez ten rezystor jak przez pierwotny kondensator i zasilacz działałby mniej więcej tak samo (patrz ST AN1476 na przykład takiego zasilacza „z opornikiem oporowym”).

Czy kondensator marnuje energię jako ciepło?

Idealny kondensator nigdy nie zamienia żadnej mocy w ciepło - cała energia elektryczna, która przepływa do idealnego kondensatora, ostatecznie wypływa z kondensatora jako energia elektryczna.

Prawdziwy kondensator ma niewielkie ilości pasożytniczej rezystancji szeregowej (ESR) i pasożytniczej rezystancji równoległej, więc niewielka ilość mocy wejściowej jest przekształcana w ciepło. Ale każdy prawdziwy kondensator rozprasza o wiele mniej energii (znacznie wydajniej) niż rozproszyłby się „rezystor równoważny”. Prawdziwy kondensator rozprasza znacznie mniej energii niż rezystory bezpieczeństwa lub prawdziwy mostek diodowy.

Gdyby Zenera nie było, a moc wyjściowa wynosiłaby około 50 V ...

Jeśli możesz dostosować rezystancję obciążenia lub zamienić opadającą nasadkę na inną o wybranej pojemności, możesz zmusić wyjście do płynięcia na poziomie zbliżonym do wybranego napięcia. Ale nieuchronnie będziesz miał trochę falowania.

Gdyby Zenera nie było i pozwoliłby on płynąć produkcji ... czy osiągnąłby 100% wydajność?

Dobre oko - zener to część, która marnuje najwięcej energii w tym obwodzie. Regulator liniowy znacznie poprawiłby wydajność tego obwodu.

Jeśli przyjmiesz idealne kondensatory (co jest dobrym założeniem) i idealne diody (nie takie dobre założenie), to energia nie zostanie utracona w tych elementach. Podczas normalnej pracy oporniki zabezpieczające tracą stosunkowo mało energii. Ponieważ nie ma gdzie indziej, aby uzyskać moc, taki wyidealizowany obwód zapewniłby 100% wydajność. Ale miałoby to również trochę tętnienia. Być może będziesz w stanie śledzić ten obwód bez zenera za pomocą liniowego regulatora napięcia, aby wyeliminować to tętnienie i nadal uzyskać wydajność netto powyżej 75%.

$V_{out}/V_{in}$

EDYCJA: Dave Tweed zwraca uwagę, że samo zastąpienie zenera regulatorem liniowym powoduje, że cały ten obwód jest mniej wydajny.

Uważam, że jest to sprzeczne z intuicją, że celowe marnowanie energii powoduje, że system działa wydajniej. (Kolejny obwód, w którym dodanie małej rezystancji sprawia, że ​​działa lepiej: tętnienie prądu w liniowym transformatorze zasilającym ).

Zastanawiam się, czy istnieje jakiś inny sposób poprawy wydajności tego obwodu, który jest mniej skomplikowany niż 2-tranzystorowy regulator przełączający ?

Zastanawiam się, czy dalsza modyfikacja obwodu poprzez dodanie kolejnego kondensatora na nogach prostownika mostkowego może spowodować coś bardziej wydajnego niż oryginalny obwód Zenera? (Innymi słowy, pojemnościowy obwód dzielący taki jak ta symulacja Falstad ?)

Ten zasilacz działa tylko zgodnie z przeznaczeniem (zapewnia prawdopodobnie stałe napięcie), pobierając stałą moc z sieci prądu przemiennego. Jest to źródło prądu przemiennego, w przeciwieństwie do źródła napięcia.

Dlatego potrzebujesz mostka diodowego, akumulatora energii (kondensatora) i regulatora napięcia, aby przekształcić go w prąd stały.

Ponieważ jednak stała energia jest pobierana z sieci prądu przemiennego, każda energia nie zużywana przez obciążenie musi zostać rozproszona. Właśnie dlatego stosuje się diodę Zenera; wszelka nadwyżka energii jest rozpraszana w postaci ciepła w diodzie Zenera. Gdyby to było regulator liniowy, napięcie wejściowe będzie wejść powyżej maksymalnej V _się do punktu, w którym spala się. A ponieważ ilość energii pobieranej z sieci prądu przemiennego zależy od napięcia prądu przemiennego i częstotliwości (z powodu reaktancji), dioda Zenera pomaga również utrzymać stałe napięcie w wariancji napięcia prądu przemiennego i / lub częstotliwości.

Wydajność:

Współczynnik mocy nie jest sprawnością zasilacza i nie jest też V _out / V _in . Wydajność wynosi P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). W zasilaczu liniowym I _out można uznać za taki sam jak I _in (jeśli odrzucisz I _q ), a zatem sprawność można uprościć jako V _out / V _in . W pojemnościowym zasilaniem jednak, P _w jest stała, więc jego skuteczność będzie całkowicie zależeć od tego, ile z dostępnej mocy obciążenia faktycznie rysuje.

Współczynnik mocy (PF):

Użyłem zasilaczy pojemnościowych w dosłownie tysiącach jednostek, ale o różnych wartościach (470 nF, 220 VAC). Nasz zasilacz zużywa około 0,9 wata, ale około 7,2 VA (wolt-amper). Ma bardzo zły współczynnik mocy , ale w bardzo dobry sposób. Ponieważ zachowuje się jak kondensator, pomaga skorygować (zbliżyć do 1) złe PF silników, które zachowują się jak cewki indukcyjne i są głównym źródłem złej sieci PF. W każdym razie jest to tak niski prąd, że i tak nie robi dużej różnicy.

W odniesieniu do komponentów:

Rezystor 47 omów:

Jego celem jest ograniczenie prądu przez kondensator i diodę Zenera, gdy obwód jest po raz pierwszy podłączony, ponieważ sieć prądu przemiennego może być pod dowolnym kątem (napięcie), a kondensator nie ma ładunku, więc działa jak zwarcie.

2.2 Rezystor Mohma:

Jego celem jest rozładowanie kondensatora 33 nF, ponieważ napięcie kondensatora może mieć dowolną wartość po odłączeniu zasilania. inaczej nie miałby ścieżki do rozładowania, ale czyjeś palce (zdarzyło mi się to kilka razy).

Kondensator 33 nF:

Jak niektórzy słusznie stwierdzili, zastępują rezystor dzielnika napięcia, wykorzystując fakt ich reaktancji przy sieci 50 lub 60 Hz. Nie dostajesz marnotrawstwa ciepła z równoważnego rezystora, ale zamiast tego zmieniasz kąt prądu względem napięcia.

Diody prostownicze (mostek):

Powinny być zrozumiałe, ale nie są konieczne; wystarczy jedna dioda (w innej najmniej wydajnej, ale bezpieczniejszej konfiguracji). Chodzi o to, aby reaktancja kondensatora 33 nF działała, potrzebujesz prądu płynącego w jednym kierunku, a następnie dokładnie tego samego prądu płynącego w przeciwnym kierunku.

Ile diod jest używanych, a konfiguracja zależy od wielu rzeczy. Podczas używania jednej diody i prawidłowego podłączenia przewodów neutralnych i fazowych, obwód GND będzie neutralny dla prądu przemiennego, co czyni wyjście znacznie bezpieczniejszym, ale ma tę wadę, że tylko przy dodatnich falach półsinusoidalnych prąd będzie dostarczany do kondensatora 47 µF.

Zastosowanie mostka diodowego oznacza, że ​​połowa czasu, gdy wyjście ujemne jest neutralne, druga połowa to faza sieciowa! Oczywiście wszystko zależy od tego, gdzie jesteś na świecie (dosłownie). Kraje lub regiony, które są bardzo suche, zwykle używają połączeń międzyfazowych bez przewodu zerowego z powodu niskiej przewodności uziemienia. Możesz również uzyskać dwa wyjścia napięciowe, używając tylko dwóch diod prostowniczych, diod Zenera i kondensatorów 47 µF.

Dioda Zenera:

Jego celem jest utrzymanie (nieco) stałego napięcia na wyjściu zasilacza. Każdy nadmiar prądu, który nie zostanie zużyty przez obciążenie, przepłynie przez niego do ziemi, a tym samym zostanie przekształcony w ciepło.

Kondensator 47 µF:

Filtruje prąd sinusoidalny dostarczany przez kondensator 33 nF.

Aby uzyskać wyższą wydajność, należy obniżyć rezystor 47 Ω do maksymalnego prądu, który pozwoli Zener po podłączeniu bezpośrednio do szczytu prądu przemiennego, i dostroić kondensator 33 nF najbliżej dokładnie wymaganego prądu obciążenia.

Nie rób tego; obwody te są naprawdę dość niebezpieczne.

Mają dość złą wydajność, ale tak naprawdę nie ma to znaczenia, ponieważ taki obwód może działać tylko ze stałym prądem, który jest bardzo niski. Tracisz moc we wszystkich opornikach, diodach i niektórych kondensatorach z powodu ESR . ESR ceramicznej nasadki może być dość wysoki przy 50 Hz.

Nie można otworzyć obwodu tych obwodów, przynajmniej nie bez dużej diody Zenera , usunąć rezystor obciążenia i spojrzeć na prąd przez diodę Zenera. Zasadniczo musisz operować nimi przy stałym prądzie obciążenia, coś w zakresie 10-15 mA zwykle w celu uzyskania rozsądnej regulacji. W miarę wzrostu prądu tętnienie znacznie wzrośnie, a napięcie wyjściowe zacznie silnie spadać.

Co do twoich pytań:

W jaki sposób kondensator obniża napięcie? Czy marnuje energię jak ciepło?

Zasadniczo zbudowałeś zestaw filtrów dolnoprzepustowych , dzięki czemu przy rezystancji obciążenia w zakresie roboczym szukasz tłumienia przy 50 Hz, co było potrzebne. Wraz ze spadkiem rezystancji obciążenia (wzrost prądu) tłumienie to wzrasta do punktu, w którym spada twoje regulowane napięcie.

Obwód nabierze większego sensu, jeśli spojrzysz na dziedzinę częstotliwości zamiast czasu.

Gdyby Zenera nie było i pozwoliłby, aby moc wyjściowa oscylowała wokół 50 V, czy osiągnęłaby 100% wydajność?

Nie, tracisz moc we wszystkich diodach i we wszystkich opornikach. Jeśli usuniesz diodę Zenera, stracisz zasadniczo całą regulację; napięcie i poziom tętnienia będą się znacznie różnić w zależności od rezystancji obciążenia.

Zener daje ci moc 3,3 V. Kondensator nie „obniża” napięcia, po prostu absorbuje ładunek za każdym razem, gdy rektyfikowany prąd przemienny przekracza napięcie zenera i zasila obciążenie w czasie, gdy rektyfikowany prąd przemienny jest mniejszy. Ponieważ twoje obciążenie wynosi tylko 10K, a górna granica to 47uF, stała 0,47 sekundy RC oznacza, że ​​kondensator nie rozładowuje się dużo, gdy Zener jest wyłączony, co oznacza, że ​​napięcie obciążenia nie spada znacząco podczas pracy na mocy kondensatora.

Głównym niszczycielem mocy byłby szeregowy rezystor spadający, ponieważ pobiera on cały prąd obciążenia (i zenera) i spada praktycznie całe napięcie sieciowe.

Jeśli zrezygnowałeś z zenera i próbowałeś użyć tego jako nieuregulowanego zapasu, wydajność zależy od obciążenia. Więcej prądu oznacza większe rozproszenie w rezystorze szeregowym, co oznacza mniejszą wydajność. Możesz uzyskać prawie 100% wydajności tylko wtedy, gdy pobierasz niewiarygodnie małe ilości prądu, w którym to przypadku napięcie również wzrośnie do około 1,4-krotności napięcia linii RMS.

Oto symulacja, na którą patrzę. Nie zwracaj zbytniej uwagi na natychmiastowe odczyty po stronie prądu przemiennego, ponieważ są one oczywiście zmienne.

Jeśli dostosuję obciążenie 10k do obciążenia 1k, mogę uzyskać tylko 782mV.

Cóż, w rzeczywistości jest to dość proste:

To jest twoja impedancja kondensatora. Zmienia się z częstotliwością 60 lub 50 Hz.

Twój maksymalny prąd będzie zawsze wynosił:

$V_{in}$