Quanto è efficiente un alimentatore capacitivo?

Qualcosa come questo

Falstad versione sim di esso

(Sono stanco, continuo a fare errori, quindi per favore scusami per la seconda volta.)

Ora questi non sono alimentatori molto sicuri, a causa della mancanza di isolamento. Ma in unità sigillate, possono essere un modo economico per ottenere la tensione di alimentazione per un microcontrollore senza SMPS o trasformatore.

Non sono efficienti al 100% a causa dello zener e dei resistori. Ma ho diverse domande.

1. Come fa il condensatore a ridurre la tensione, comunque? Spreca energia come calore?
2. Se lo zener fosse sparito e l'uscita fosse lasciata fluttuare intorno a 50 V, si avvicinerebbe al 100% di efficienza?

Questo circuito appartiene a una categoria di circuiti denominati "Trasformatore senza trasformatore da CA a CC" o "Circuito contagocce CR". Per altri esempi, vedere "Massmind: alimentazione senza trasformatore da CA a CC" o "Massmind: conversione dell'alimentazione con dispersione capacitiva senza trasformatore" o "ST AN1476: alimentatore a basso costo per elettrodomestici" .

Tale dispositivo ha un fattore di potenza vicino a 0, il che rende discutibile se soddisfa le leggi sui fattori di potenza stabilite dall'UE, come EN61000-3-2. Ancora peggio, quando un tale dispositivo è collegato a un UPS "onda quadra" o "onda sinusoidale modificata", ha una dissipazione di potenza molto più elevata (efficienza peggiore) rispetto a quando è collegato all'alimentazione di rete - se la persona che costruisce questo circuito non lo fa scegliere resistori di sicurezza e zener abbastanza grandi da gestire questa potenza aggiuntiva, potrebbero surriscaldarsi e guastarsi. Questi due inconvenienti possono essere il motivo per cui alcuni ingegneri considerano la tecnica del "dropper CR" " pericolosa e pericolosa ".

In che modo il condensatore riduce la tensione?

Esistono diversi modi per spiegarlo. Un modo (forse non il più intuitivo):

Una gamba del condensatore è collegata (attraverso una resistenza di sicurezza) alla rete "calda" che oscilla a oltre 100 V CA. L'altra gamba del condensatore è collegata a qualcosa che si trova sempre a pochi volt di terra. Se l'ingresso fosse DC, il condensatore bloccherebbe completamente qualsiasi corrente che fluisce attraverso di esso. Ma poiché l'ingresso è CA, il condensatore lascia passare una piccola quantità di corrente (proporzionale alla sua capacità). Ogni volta che abbiamo una tensione attraverso un componente e la corrente che scorre attraverso il componente, noi persone di elettronica non possiamo resistere al calcolo dell'impedenza effettiva usando la legge di Ohm:

(Normalmente diciamo R = V / I, ma ci piace usare Z quando parliamo dell'impedenza di condensatori e induttori. È tradizione, ok?)

Se si sostituisce quel condensatore con un "resistore equivalente" con un'impedenza reale R uguale all'impedenza assoluta Z di quel condensatore, la "stessa" corrente (RMS AC) fluirà attraverso quel resistore attraverso il condensatore originale e l'alimentazione funzionerebbe più o meno allo stesso modo (vedi ST AN1476 per un esempio di tale alimentatore "contagocce resistore").

Il condensatore spreca energia come calore?

Un condensatore ideale non converte mai alcuna potenza in calore: tutta l'energia elettrica che fluisce in un condensatore ideale alla fine fuoriesce dal condensatore come energia elettrica.

Un vero condensatore ha piccole quantità di resistenza parassita serie (ESR) e resistenza parassita parallela, quindi una piccola quantità della potenza in ingresso viene convertita in calore. Ma qualsiasi condensatore reale dissipa molta meno potenza (molto più efficiente) di quanto dissiperebbe un "resistore equivalente". Un vero condensatore dissipa molta meno potenza dei resistori di sicurezza o di un vero ponte a diodi.

Se lo zener fosse sparito e l'uscita fosse lasciata fluttuare di circa 50 V ...

Se è possibile modificare la resistenza del carico o sostituire il cappuccio di caduta con uno con una diversa capacità di propria scelta, è possibile forzare l'uscita a fluttuare vicino a qualsiasi tensione si scelga. Ma inevitabilmente avrai qualche increspatura.

Se lo zener fosse sparito e l'output fosse lasciato fluttuare ... avrebbe raggiunto un'efficienza del 100%?

Buon occhio - lo zener è la parte che fa sprecare più energia in questo circuito. Un regolatore lineare qui migliorerebbe significativamente l'efficienza di questo circuito.

Se si assumono condensatori ideali (il che è un buon presupposto) e diodi ideali (non un buon presupposto), non si perde energia in quei componenti. Durante il normale funzionamento, si perde relativamente poca potenza nei resistori di protezione di sicurezza. Dal momento che non c'è altro posto dove andare la potenza, un circuito così idealizzato ti darebbe il 100% di efficienza. Ma avrebbe anche qualche increspatura. Potresti essere in grado di seguire questo circuito a zero con un regolatore di tensione lineare per eliminare quell'ondulazione e ottenere comunque un'efficienza netta superiore al 75%.

$V_{out}/V_{in}$

EDIT: Dave Tweed sottolinea che la semplice sostituzione dello zener con un regolatore lineare rende effettivamente questo circuito complessivo meno efficiente.

Trovo controintuitivo che sprecare deliberatamente un po 'di energia renda il sistema più efficiente. (Un altro circuito in cui l'aggiunta di un po 'di resistenza lo rende migliore: corrente di ondulazione in un trasformatore di alimentazione lineare ).

Mi chiedo se ci sia un altro modo per migliorare l'efficienza di questo circuito, che è meno complesso di un regolatore di commutazione a 2 transistor ?

Mi chiedo se modificando ulteriormente il circuito aggiungendo un altro condensatore attraverso le gambe CA del raddrizzatore a ponte si potrebbe ottenere qualcosa di più efficiente del circuito zener originale? (In altre parole, un circuito divisore capacitivo come questa simulazione di Falstad ?)

Questo alimentatore funziona solo come previsto (fornisce una tensione probabilmente costante) consumando una potenza costante dalla rete CA. È una sorgente di corrente alternata, al contrario di una sorgente di tensione.

Pertanto è necessario un ponte a diodi, un accumulatore di energia (condensatore) e un regolatore di tensione per trasformarlo in corrente continua.

Tuttavia, poiché un'energia costante viene prelevata dalla rete CA, qualsiasi energia non consumata dal carico deve essere dissipata. Ecco perché viene utilizzato un diodo Zener; l'eventuale energia in eccesso viene dissipata sotto forma di calore nel diodo Zener. Se fosse un regolatore lineare, tensione di ingresso sarebbe salire il livello massimo V _a al punto in cui esso brucia. E poiché la quantità di energia assorbita dalla rete CA dipende dalla tensione e dalla frequenza CA (a causa della reattanza), il diodo Zener aiuta anche a mantenere una tensione costante nella varianza della tensione e / o frequenza della rete CA.

Efficienza:

Il fattore di potenza non è l'efficienza dell'alimentatore e nemmeno V _out / V _in . L'efficienza è P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). In un alimentatore lineare, I _out potrebbe essere considerato uguale a I _in (se si elimina I _q ) e quindi l'efficienza può essere semplificata come V _out / V _in . In un alimentatore capacitivo, tuttavia, P _in è costante, quindi la sua efficienza dipenderà totalmente dalla quantità di energia disponibile effettivamente assorbita dal carico.

Fattore di potenza (PF):

Ho usato alimentatori capacitivi in ​​letteralmente migliaia di unità, ma con valori diversi (470 nF, 220 V CA). Il nostro alimentatore consuma circa 0,9 watt, ma circa 7,2 VA (Volt-Ampere). Ha un pessimo fattore di potenza , ma in un modo molto buono. Dal momento che si comporta come un condensatore, aiuta a correggere (avvicinarsi a 1) il cattivo PF dei motori, che si comportano come induttori e sono la principale fonte di cattivo PF di rete. In ogni caso, è una corrente così bassa che non fa comunque molta differenza.

Per quanto riguarda i componenti:

Resistenza da 47 ohm:

Il suo scopo è di limitare la corrente attraverso il condensatore e il diodo Zener quando il circuito viene collegato per la prima volta, poiché la rete CA può essere a qualsiasi angolo (tensione) e il condensatore non ha carica, quindi agisce come un corto circuito.

2.2 Resistenza Mohm:

Il suo scopo è quello di scaricare il condensatore da 33 nF, poiché la tensione del condensatore può essere a qualsiasi valore quando si scollega la rete. altrimenti, non avrebbe alcun percorso da scaricare se non le dita di qualcuno (mi è successo più volte).

Condensatore 33 nF:

Come alcuni hanno giustamente affermato, sostituiscono una resistenza del partitore di tensione sfruttando il fatto della loro reattanza alla rete a 50 o 60 Hz. Non si ottiene lo spreco di calore di una resistenza equivalente, ma si cambia invece l'angolo della corrente rispetto alla tensione.

Diodi raddrizzanti (ponte):

Dovrebbe essere autoesplicativo, ma non sono necessari; sarà sufficiente un diodo (in una configurazione meno efficiente ma più sicura). Il fatto è che la reattanza del condensatore a 33 nF funziona, è necessario che la corrente scorra in una direzione e quindi la stessa corrente che scorre nella direzione opposta.

Quanti diodi vengono utilizzati e in quale configurazione dipende da molte cose. Quando si utilizza un diodo e si collegano correttamente i fili neutro e di fase, il circuito GND sarà neutro in CA, rendendo l'uscita molto più sicura, ma ha lo svantaggio che solo le semiande sinusoidali positive verranno erogate al condensatore da 47 µF.

L'uso del ponte a diodi significa che metà del tempo l'uscita negativa è neutra, l'altra metà è la fase di rete! Ovviamente, tutto dipende da dove ti trovi (letteralmente) nel mondo. I paesi o le regioni molto asciutti tendono a utilizzare connessioni da fase a fase senza neutro a causa della bassa conduttività della loro terra. È inoltre possibile ottenere due uscite di tensione utilizzando solo due diodi raddrizzatori, diodi zener e condensatori da 47 µF.

Diodo Zener:

Il suo scopo è di mantenere una tensione (piuttosto) costante all'uscita dell'alimentatore. Qualsiasi corrente in eccesso non consumata dal carico fluirà attraverso di essa verso terra e quindi verrà trasformata in calore.

Condensatore 47 µF:

Filtra la corrente sinusoidale erogata dal condensatore da 33 nF.

Per una maggiore efficienza, è necessario ridurre la resistenza da 47 ohm alla massima corrente consentita dallo zener quando è collegata direttamente al picco CA e regolare il condensatore da 33 nF il più vicino all'esatta corrente di carico necessaria.

Non farlo; questi circuiti sono davvero piuttosto pericolosi.

Hanno una pessima efficienza, ma non importa perché un circuito come questo può funzionare solo con una corrente costante che è molto bassa. Si perde potenza in tutti i resistori, i diodi e alcuni nei condensatori a causa dell'ESR . L'ESR di un tappo in ceramica può essere abbastanza alto a 50 Hz.

Non è possibile aprire questi circuiti, almeno non senza un ingombrante diodo Zener , rimuovere la resistenza di carico e osservare la corrente attraverso il diodo Zener. Fondamentalmente devi farli funzionare a una corrente di carico costante, qualcosa nella gamma di 10-15 mA di solito per ottenere una regolazione ragionevole. Man mano che la tua corrente aumenta, l'ondulazione aumenterà molto e l'uscita di tensione inizierà a ridursi pesantemente.

Per quanto riguarda le tue domande:

Come fa il condensatore a ridurre la tensione, comunque? Spreca energia come calore?

Fondamentalmente, hai creato un set di filtri passa-basso in modo tale che con una resistenza di carico nel campo operativo stai cercando la sua attenuazione a 50 Hz è tutto ciò che era necessario. Quando la resistenza di carico diminuisce (la corrente aumenta) questa attenuazione aumenta fino al punto in cui la tensione regolata diminuisce.

Il circuito avrà molto più senso se guardi nel dominio della frequenza anziché nel tempo.

Se lo zener fosse sparito e l'uscita fosse lasciata fluttuare intorno a 50 V, si avvicinerebbe al 100% di efficienza?

No, perdi potenza in tutti i diodi e in tutti i resistori. Se si rimuove il diodo Zener si perde sostanzialmente tutta la regolazione; la tensione e il livello di ondulazione varierebbero fortemente con la resistenza del carico.

Lo zener è ciò che ti dà l'uscita 3.3V. Il condensatore non "abbassa" la tensione, assorbe semplicemente una carica ogni volta che l'AC rettificata supera la tensione di zener e alimenta il carico durante i periodi in cui l'AC rettificata è inferiore. Poiché il tuo carico è solo di 10 K e il limite è di 47uF, la costante RC di 0,47 secondi significa che il condensatore non si scarica molto mentre lo zener è spento, il che significa che la tensione di carico non si abbassa in modo significativo durante il funzionamento con l'alimentazione del condensatore.

La principale perdita di potenza sarebbe la resistenza di caduta in serie, poiché prende tutta la corrente di carico (e zener) e diminuisce praticamente tutta la tensione di linea.

Se si interrompe lo zener e si tenta di utilizzarlo come alimentazione non regolamentata, l'efficienza dipende dal carico. Più corrente significa più dissipazione in quella resistenza serie, significa meno efficienza. Potresti ottenere un'efficienza vicina al 100% solo se assorbissi quantità di corrente incredibilmente minime, nel qual caso la tensione aumenterebbe fino a circa 1,4 volte la tensione RMS della linea.

Ecco la simulazione che sto guardando. Non prestare troppa attenzione alle letture istantanee sul lato CA poiché sono ovviamente fluttuanti.

Se aggiusto il carico da 10k a un carico da 1k, riesco a ottenere solo 782mV.

Bene, in realtà è abbastanza semplice:

Questa è l'impedenza del condensatore. Cambia con 60 o 50 Hz.

La tua massima corrente sarà sempre:

$V_{in}$