Насколько эффективен емкостный источник питания?

Что-то вроде этого

Falstad сим версия этого

(Я устал, я продолжаю делать ошибки, поэтому, пожалуйста, извините меня во второй раз.)

Теперь это не очень безопасные блоки питания из-за отсутствия изоляции. Но в герметичных блоках они могут быть дешевым способом получения напряжения питания для микроконтроллера без SMPS или трансформатора.

Они не на 100% эффективны из-за стабилитрона и резисторов. Но у меня есть несколько вопросов.

1. Как конденсатор понижает напряжение? Это тратит энергию как тепло?
2. Если стабилитрон исчез, и выходной сигнал будет плавать около 50 В, приблизится ли он к 100% эффективности?

Эта схема относится к категории цепей, называемых «бестрансформаторным источником питания переменного тока в постоянный ток» или «цепью-капельницей CR». Другие примеры см. В разделе «Massmind: бесперебойное электропитание от источника переменного тока до постоянного тока» или «Massmind: емкостное преобразование мощности без трансформатора» или «ST AN1476: Недорогой источник питания для бытовых приборов» .

Такое устройство имеет коэффициент мощности, близкий к 0, что делает сомнительным, соответствует ли оно утвержденным законодательством ЕС коэффициентам мощности, таким как EN61000-3-2. Еще хуже, когда такое устройство подключено к ИБП типа «прямоугольная волна» или «модифицированная синусоида», оно имеет гораздо более высокое рассеивание мощности (худшая эффективность), чем при подключении к электросети - если человек, который строит эту схему, не выберите защитные резисторы и стабилитроны, достаточно большие, чтобы выдержать эту дополнительную мощность, они могут перегреться и выйти из строя. Эти два недостатка могут быть причиной того, что некоторые инженеры считают технику «CR-капельницы» « хитрой и опасной ».

Как конденсатор понижает напряжение?

Есть несколько способов объяснить это. Один из способов (возможно, не самый интуитивный):

Одна ветвь конденсатора подключена (через защитный резистор) к «горячей» сети, которая колеблется при напряжении более 100 В переменного тока. Другая часть конденсатора соединена с чем-то, что всегда находится в пределах нескольких вольт от земли. Если бы вход был постоянным, то конденсатор полностью блокировал бы любой ток, протекающий через него. Но так как вход переменного тока, конденсатор пропускает небольшое количество тока через него (пропорционально его емкости). Всякий раз, когда у нас есть напряжение на компоненте и ток, протекающий через компонент, мы, специалисты по электронике, не можем удержаться от расчета эффективного сопротивления, используя закон Ома:

(Обычно мы говорим R = V / I, но нам нравится использовать Z, когда мы говорим об импедансе конденсаторов и индукторов. Это традиция, хорошо?)

Если вы замените этот конденсатор на «эквивалентный резистор» с реальным сопротивлением R, равным абсолютному сопротивлению Z этого конденсатора, то через этот резистор будет протекать «тот же» (среднеквадратический переменный ток), что и через ваш оригинальный конденсатор, и источник питания. будет работать примерно так же (см. ST AN1476 для примера такого источника питания с резисторной пипеткой).

Конденсатор теряет энергию в виде тепла?

Идеальный конденсатор никогда не преобразует какую-либо мощность в тепло - вся электрическая энергия, которая течет в идеальный конденсатор, в конечном итоге вытекает из конденсатора в виде электрической энергии.

Реальный конденсатор имеет небольшое количество паразитного последовательного сопротивления (ESR) и паразитного параллельного сопротивления, поэтому небольшое количество входной мощности преобразуется в тепло. Но любой реальный конденсатор рассеивает гораздо меньшую мощность (гораздо более эффективную), чем рассеивал бы «эквивалентный резистор». Настоящий конденсатор рассеивает гораздо меньше энергии, чем защитные резисторы или настоящий диодный мост.

Если стабилитрон пропал и выходной сигнал был допущен до 50В ...

Если вы можете настроить сопротивление вашей нагрузки или поменять защитную крышку на другую с другой емкостью по вашему выбору, вы можете заставить выход плавать при напряжении, близком к любому выбранному вами напряжению. Но у вас неизбежно будет некоторая пульсация.

Если стабилитрон пропадет, а выходной сигнал отпустит ... приблизится ли он к 100% эффективности?

Хороший глаз - стабилитрон - это та часть, которая тратит большую часть энергии в этой цепи. Линейный регулятор здесь значительно улучшит эффективность этой схемы.

Если вы предполагаете идеальные конденсаторы (что является хорошим предположением) и идеальные диоды (не очень хорошее предположение), то никакая мощность не теряется в этих компонентах. При нормальной работе относительно мало энергии теряется в защитных резисторах. Так как некуда идти, такая идеализированная схема обеспечит вам 100% эффективность. Но это также будет иметь некоторую рябь. Вы можете быть в состоянии следовать этой схеме без стабилизации с линейным стабилизатором напряжения, чтобы устранить эту пульсацию и все же получить чистую эффективность более 75%.

$V_{out}/V_{in}$

РЕДАКТИРОВАТЬ: Дейв Твид отмечает, что простая замена стабилитрона с линейным регулятором на самом деле делает эту общую схему менее эффективной.

Я считаю нелогичным, что преднамеренная потеря энергии заставляет систему работать более эффективно. (Другая схема, где добавление небольшого сопротивления делает его лучше: ток пульсации в линейном трансформаторе питания ).

Интересно, есть ли какой-то другой способ повысить эффективность этой схемы, который менее сложен, чем 2-транзисторный импульсный регулятор ?

Интересно, может ли дальнейшая модификация схемы путем добавления другого конденсатора через ветви переменного тока мостового выпрямителя привести к чему-то более эффективному, чем оригинальная схема стабилитрона? (Другими словами, схема емкостного делителя, подобная симуляции Фальстада ?)

Этот источник питания работает только так, как задумано (обеспечивает возможно постоянное напряжение), потребляя постоянную мощность от сети переменного тока. Это источник переменного тока, в отличие от источника напряжения.

Следовательно, вам нужен диодный мост, аккумулятор энергии (конденсатор) и регулятор напряжения для преобразования его в постоянный ток.

Однако, поскольку постоянная энергия поступает из сети переменного тока, любая энергия, не потребляемая нагрузкой, должна рассеиваться. Вот почему используется стабилитрон; любая избыточная энергия рассеивается в виде тепла в стабилитроне. Если бы это был линейный регулятор, входное напряжение будет подниматься выше максимальной V _в до точки , где он сгорает. А поскольку количество энергии, потребляемой от сети переменного тока, зависит от напряжения и частоты переменного тока (из-за реактивного сопротивления), стабилитрон также помогает поддерживать постоянное напряжение при изменении напряжения и / или частоты переменного тока.

Эффективность:

Коэффициент мощности не является КПД источника питания и не равен V _out / V _in . Эффективность равна P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). В линейном источнике питания I _out можно считать таким же, как I _в (если откинуть I _д ) и , следовательно , эффективность может быть упрощена , как V _из / V _в . Однако в емкостном источнике питания P _in является постоянным, поэтому его эффективность будет полностью зависеть от того, какая часть доступной мощности фактически потребляет нагрузка.

Коэффициент мощности (PF):

Я использовал емкостные источники питания буквально в тысячах единиц, но с разными значениями (470 нФ, 220 В переменного тока). Наш блок питания потребляет около 0,9 Вт, но около 7,2 ВА (Вольт-Ампер). У него очень плохой коэффициент мощности , но в очень хорошем смысле. Поскольку он ведет себя как конденсатор, он помогает исправить (приблизить к 1) плохую PF двигателей, которые ведут себя как индукторы и являются основным источником плохой сетевой PF. В любом случае, это такой слабый ток, что он не имеет большого значения в любом случае.

Что касается компонентов:

Резистор 47 Ом:

Его целью является ограничение тока через конденсатор и стабилитрон при первом подключении цепи, поскольку сеть переменного тока может находиться под любым углом (напряжение), а конденсатор не имеет заряда, поэтому он действует как короткое замыкание.

2,2 Мом резистор:

Его цель - разрядить конденсатор 33 нФ, потому что напряжение на конденсаторе может быть любым при отключении от сети. в противном случае у него не было бы пути для разряда, кроме чьих-то пальцев (это случалось со мной несколько раз).

33 нФ конденсатор:

Как некоторые правильно заявили, они заменяют резистор делителя напряжения, используя факт их реактивного сопротивления при 50 или 60 Гц сети. Вы не получаете тепловые потери эквивалентного резистора, а вместо этого меняете угол тока в зависимости от напряжения.

Выпрямительные диоды (мост):

Должен быть самоочевидным, но они не являются необходимыми; достаточно одного диода (в другой, менее эффективной, но более безопасной конфигурации). Дело в том, чтобы реактивное сопротивление 33 нФ работало, вам нужен ток, протекающий в одном направлении, а затем точно такой же ток, протекающий в противоположном направлении.

Сколько диодов используется и в какой конфигурации зависит от многих вещей. При использовании одного диода и правильном подключении нейтрального и фазового проводов ваша цепь GND будет нейтральной по переменному току, что делает выход намного безопаснее, но имеет тот недостаток, что только на положительные полусинхронные волны будет подан ток на конденсатор 47 мкФ.

Использование диодного моста означает, что половина времени отрицательный выход является нейтральным, а другая половина - фазой сети! Конечно, все зависит от того, где вы находитесь (буквально). Страны или регионы, которые являются очень сухими, имеют тенденцию использовать межфазные соединения без нейтрали из-за низкой проводимости их заземления. Вы также можете получить два выхода напряжения, используя только два выпрямительных диода, стабилитроны и конденсаторы 47 мкФ.

Стабилитрон:

Его целью является поддержание (несколько) постоянного напряжения на выходе блока питания. Любой избыточный ток, не потребляемый нагрузкой, протекает через нее на землю и, таким образом, преобразуется в тепло.

Конденсатор 47 мкФ:

Он отфильтровывает синусоидальный ток, подаваемый конденсатором 33 нФ.

Для более высокой эффективности вам необходимо уменьшить резистор на 47 Ом до максимального тока, который стабилитрон позволит подключить прямо к пику переменного тока, и настроить конденсатор на 33 нФ так, чтобы он соответствовал точному току нагрузки, который вам нужен.

Не делай этого; эти схемы действительно довольно опасны.

Они имеют довольно плохую эффективность, но это не имеет значения, поскольку такая схема может работать только при очень низком постоянном токе. Вы теряете мощность во всех резисторах, диодах и некоторых конденсаторах из-за ESR . СОЭ керамического колпачка может быть довольно высокой при 50 Гц.

Вы не можете разомкнуть эти цепи, по крайней мере, без громоздкого стабилитрона , снять нагрузочный резистор и посмотреть на ток через стабилитрон. Вы должны работать с ними при постоянном токе нагрузки, обычно в диапазоне 10-15 мА, чтобы получить разумное регулирование. Когда ваш ток возрастет, ваша пульсация значительно увеличится, и выходное напряжение начнет сильно падать.

Что касается ваших вопросов:

Как конденсатор понижает напряжение? Это тратит энергию как тепло?

По сути, вы создали фильтр нижних частот таким образом, чтобы при нагрузочном сопротивлении в рабочем диапазоне вы после его затухания при 50 Гц были тем, что было необходимо. По мере того как сопротивление нагрузки падает (ток увеличивается), это затухание увеличивается до точки, где падает ваше регулируемое напряжение.

Схема будет иметь гораздо больше смысла, если вы посмотрите на частотную область вместо времени.

Если стабилитрон исчез, и выходной сигнал будет плавать около 50 В, приблизится ли он к 100% эффективности?

Нет, вы теряете мощность во всех диодах и всех резисторах. Если вы удалите стабилитрон, вы потеряете практически все правила; напряжение и уровень пульсаций сильно зависит от сопротивления нагрузки.

Стабилитрон - это то, что дает вам выход 3.3 В. Конденсатор не «понижает» напряжение, он просто поглощает заряд всякий раз, когда выпрямленный переменный ток превышает напряжение стабилитрона, и питает нагрузку в то время, когда выпрямленный переменный ток меньше этого значения. Поскольку ваша нагрузка составляет всего 10 Кб, а максимальная нагрузка составляет 47 мкФ, постоянная RC в 0,47 секунды означает, что конденсатор не сильно разряжается, когда стабилитрон выключен, а это означает, что напряжение нагрузки не сильно падает при работе от мощности конденсатора.

Основным источником энергии будет резистор с последовательным падением напряжения, так как он принимает весь ток нагрузки (и стабилитрона) и пропускает практически все напряжение сети.

Если вы отключили стабилитрон и попытались использовать его в качестве нерегулируемого источника питания, эффективность зависит от нагрузки. Чем больше ток, тем больше рассеивание в этом последовательном резисторе, тем ниже эффективность. Вы могли бы достичь почти 100% эффективности только в том случае, если бы использовали только невероятно малые величины тока, и в этом случае напряжение также увеличилось бы примерно в 1,4 раза от среднеквадратичного напряжения линии.

Вот симуляция, на которую я смотрю. Не обращайте слишком много внимания на мгновенные показания на стороне переменного тока, поскольку они, конечно, колеблются.

Если я отрегулирую нагрузку 10 кОм на 1 кОм, я смогу вывести только 782 мВ.

Ну, это довольно просто на самом деле:

Это ваше сопротивление конденсатора. Это изменяется с 60 или 50 Гц.

Ваш максимальный ток всегда будет:

$V_{in}$