Наскільки ефективним ємнісний джерело живлення?

Щось на зразок цього

Фальстад-сим-версія

(Я втомився, я продовжую робити помилки, тому, будь ласка, вибачте мене вдруге.)

Зараз це не дуже безпечні блоки живлення через відсутність ізоляції. Але в герметичних блоках вони можуть бути дешевим способом отримання напруги живлення для мікроконтролера без SMPS або трансформатора.

Вони не на 100% ефективні завдяки ценеру та резисторам. Але, у мене є кілька питань.

1. Як конденсатор все-таки знижує напругу? Він витрачає енергію як тепло?
2. Якщо б ценерів не було, і вихід дозволив плавати близько 50 В, чи наблизився б він до 100% ефективності?

Ця схема є однією з категорій мікросхем, яка називається "Трансформатор без змінного струму до постійного живлення" або "схема крапельниці". Для інших прикладів, див. "Massmind: Перетворювач змінного струму в постійне живлення" або "Massmind: Трансформатор без ємнісного перетворення потужності для знеструмлення " або "ST AN1476: недороге джерело живлення для побутової техніки" .

Такий пристрій має коефіцієнт потужності близько 0, що робить сумнівом, чи відповідає він законам про чинник коефіцієнта потужності, таких як EN61000-3-2. Ще гірше, коли такий пристрій підключається до ДБЖ "квадратної хвилі" або "модифікованої синусоїди", він має набагато вищий розсіювання потужності (гірший ККД), ніж при підключенні до електромережі - якщо людина, яка будує цю схему, не робить вибирайте захисні резистори і стабілітрони досить великі, щоб справлятись з цією додатковою потужністю, вони можуть перегріватися і виходити з ладу. Ці два недоліки можуть бути причиною того, що деякі інженери вважають техніку "крапельниці CR" " хиткою та небезпечною ".

Як конденсатор знижує напругу?

Існує кілька способів пояснення цього. Один із способів (можливо, не самий інтуїтивний):

Одна нога конденсатора кріпиться (через резистор безпеки) до "гарячої" мережі, яка коливається при 100 В змінного струму. Інша ніжка конденсатора підключена до чогось, що завжди знаходиться в межах декількох вольт землі. Якби вхід був постійним струмом, то конденсатор повністю блокував би протікаючий через нього будь-який струм. Але оскільки вхід змінного струму, конденсатор випускає невелику кількість струму через нього (пропорційний його ємності). Щоразу, коли у нас є напруга на компоненті і струм, що протікає через компонент, ми не можемо протистояти обчисленню ефективного опору, використовуючи закон Ома:

(Зазвичай ми говоримо R = V / I, але ми любимо використовувати Z, коли говоримо про опір конденсаторів та індукторів. Це традиція, гаразд?)

Якщо ви заміните цей конденсатор на "еквівалентний резистор" реальним опором R, рівним абсолютному імпедансу Z цього конденсатора, "той же" (RMS змінного струму) струм протікатиме через цей резистор, як через ваш початковий конденсатор, і джерело живлення буде працювати приблизно так само (див. ST AN1476 для прикладу такого джерела живлення "резисторної крапельниці").

Чи конденсатор витрачає енергію як тепло?

Ідеальний конденсатор ніколи не перетворює енергію на тепло - вся електрична енергія, яка надходить в ідеальний конденсатор, з часом витікає з конденсатора як електрична енергія.

Справжній конденсатор має невелику кількість опору паразитичного ряду (ШОЕ) та паралельного паралельного опору, тому невелика кількість вхідної потужності перетворюється на тепло. Але будь-який реальний конденсатор розсіює набагато менше енергії (набагато ефективніше), ніж "еквівалентний резистор" розсіюється. Реальний конденсатор розсіює набагато менше енергії, ніж захисні резистори або справжній діодний міст.

Якщо ценерів не було, а вихід дозволив плавати близько 50 В ...

Якщо ви можете налаштувати опір свого вантажу або поміняти кришку, що випадає, на одну з іншою ємністю на ваш вибір, ви можете змусити вихід плавати наближеним до напруги, яку ви обрали. Але у вас неминуче з’явиться якась пульсація.

Якби стабілітрони пішли, а вихід дозволив плавати ... чи наблизився б він до 100% ефективності?

Добре око - ценер - це та частина, яка витрачає найбільше енергії в цьому ланцюзі. Лінійний регулятор тут значно підвищить ефективність цієї схеми.

Якщо припустити ідеальні конденсатори (що є хорошим припущенням) та ідеальні діоди (не таке хороше припущення), в цих компонентах не втрачається потужність. При нормальній роботі втрачається відносно мало енергії в захисних резисторах. Оскільки більше немає де жити потужність, така ідеалізована схема дала б вам 100% ефективність. Але це також мало б пульсацію. Можливо, ви зможете прослідкувати за цією схемою без лінійки за допомогою лінійного регулятора напруги, щоб усунути пульсацію і все-таки отримати чисту ефективність понад 75%.

$V_{out}/V_{in}$

EDIT: Дейв Твід вказує, що просто заміна стабілітрона лінійним регулятором фактично робить цю загальну схему менш ефективною.

Я вважаю це протиінтуїтивно зрозумілим, що свідоме витрачання деякої потужності робить систему ефективнішою. (Інша схема, де додавання невеликого опору робить її ефективнішою: пульсація струму в лінійному трансформаторі живлення ).

Цікаво, чи існує якийсь інший спосіб підвищення ефективності цієї схеми, тобто менш складний, ніж 2-транзисторний регулятор комутації ?

Цікаво, якщо подальша зміна схеми шляхом додавання іншого конденсатора через ноги змінного струму мостового випрямляча може призвести до чогось більш ефективного, ніж оригінальна схема ценера? (Іншими словами, ємнісний ланцюг поділки, як це моделювання Фальстада ?)

Цей блок живлення працює лише за розробленою схемою (забезпечує, можливо, постійну напругу), споживаючи постійну потужність від мережі змінного струму. Це джерело струму змінного струму, на відміну від джерела напруги.

Тому вам потрібен діодний міст, акумулятор енергії (конденсатор) і регулятор напруги, щоб перетворити його на постійний струм.

Однак, оскільки від мережі змінного струму черпається постійна енергія, будь-яка енергія, яка не споживається навантаженням, повинна розсіюватися. Ось чому використовується діод Зенера; будь-яка надлишок енергії розсіюється у вигляді тепла в діоді Зенера. Якби це був лінійний регулятор, вхідна напруга буде підніматися вище максимальної V _в до точки , де він згоряє. Оскільки величина енергії, яка відводиться від мережі змінного струму, залежить від напруги та частоти змінного струму (через реактивність), діод Зенера також допомагає підтримувати постійну напругу в дисперсії напруги та / або частоти змінного струму змінного струму.

Ефективність:

Коефіцієнт потужності не є ККД джерела живлення і ні це V _з / V _в . Ефективність - P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). У лінійному блоці живлення I _out можна вважати таким же, як і _в (якщо ви відкинете I _q ), і тому ефективність може бути спрощена як V _out / V _in . Однак в ємнісному джерелі живлення P _в постійному, тому його ефективність буде повністю залежати від того, яку частину наявної потужності фактично притягує навантаження.

Коефіцієнт потужності (PF):

Я використовував ємнісні джерела живлення буквально в тисячах одиниць, але з різними значеннями (470 нФ, 220 В змінного струму). Наш блок живлення споживає близько 0,9 Вт, але близько 7,2 ВА (Вольт-Ампер). У нього дуже поганий коефіцієнт потужності , але дуже хороший спосіб. Оскільки він поводиться як конденсатор, він допомагає виправити (наблизити до 1) поганий PF двигунів, які ведуть себе як індуктори і є основним джерелом поганої мережі PF. У будь-якому випадку, це такий низький струм, що він так чи інакше не має значного значення.

Щодо компонентів:

47 Ом резистор:

Його мета полягає в обмеженні струму через конденсатор і діод Зенера при першому включенні в ланцюг, оскільки мережа змінного струму може знаходитися під будь-яким кутом (напругою), а конденсатор не має заряду, тому він виконує функцію короткого замикання.

2.2 Мом-резистор:

Його мета - розрядити конденсатор 33 нФ, оскільки напруга конденсатора може бути при будь-якому значенні, коли ви відключаєте мережу. інакше у нього не буде шляху до виписки, а чиїсь пальці (це траплялося зі мною кілька разів).

33 nF конденсатор:

Як правильно сказали деякі, вони замінюють резистор дільника напруги, використовуючи факт їх реактивності на мережі 50 або 60 Гц. Ви не отримуєте теплові відходи еквівалентного резистора, а замість цього змінюєте кут струму проти напруги.

Випрямні діоди (міст):

Повинно бути зрозумілим, але вони не є необхідними; одного діода буде достатньо (в іншій найменш ефективній, але більш безпечній конфігурації). Вся справа в тому, що реактивність конденсатора 33 нФ працює, вам потрібен струм, що протікає в одному напрямку, а потім такий самий струм, що тече в протилежному напрямку.

Скільки діодів використовується та в якій конфігурації залежить багато речей. Використовуючи один діод і правильно підключаючи нейтральний і фазний дроти, ви замикаєте на GND нейтральний струм, що робить висновок набагато безпечнішим, але він має недолік, що тільки на позитивні напівсинуси буде подаватися струм до конденсатора 47 мкФ.

Використання діодного мосту означає, що половину часу негативний вихід є нейтральним, іншу половину - це фазова мережа! Звичайно, все це залежить від того, де в світі ти (буквально). Країни або регіони, які дуже сухі, як правило, використовують фазові та фазові з'єднання без нейтральних через низьку провідність їх земного ґрунту. Ви також можете отримати два виходи напруги, використовуючи лише два випрямні діоди, ценерові діоди та конденсатори 47 мкФ.

Діод Зенера:

Його мета - підтримувати (дещо) постійну напругу на виході джерела живлення. Будь-який надлишковий струм, який не споживається вантажем, буде протікати через нього в землю і, таким чином, перетворюватися на тепло.

47 мкФ конденсатор:

Він фільтрує синусоїдальний струм, що подається конденсатором 33 nF.

Для підвищення ефективності вам потрібно зменшити резистор 47 Ом до максимального струму, що стартує, дозволить при підключенні прямо на піку змінного струму та настроїти конденсатор 33 нФ найближче до точного струму навантаження, який вам потрібен.

Не робіть цього; ці схеми дійсно досить небезпечні.

Вони мають досить погану ефективність, але це не має значення, оскільки схема, як це, може працювати лише при постійному струмі, який дуже низький. Ви втрачаєте потужність у всіх резисторах, діодах та деяких частинах конденсаторів через ESR . ШОЕ керамічної кришки може бути досить високим при 50 Гц.

Ви не можете розімкнути ці схеми, принаймні, без об'ємного діода Зенера , зняти навантажувальний резистор і подивитися на струм через діод Зенера. В основному вам доводиться керувати ними при постійному струмі навантаження, що знаходиться в межах 10-15 мА, щоб отримати розумне регулювання. Зі збільшенням струму ваша пульсація значно зросте, і вихід напруги почне сильно провисати.

Щодо Ваших питань:

Як конденсатор все-таки знижує напругу? Він витрачає енергію як тепло?

В основному ви створили набір фільтрів з низькою прохідністю таким чином, що з опором навантаження в робочому діапазоні ви після його ослаблення на 50 Гц - це все, що потрібно. Із зменшенням опору навантаження (посилення струму) це загасання збільшується до точки, коли регульована напруга падає.

Схема буде мати набагато більше сенсу, якщо ви дивитесь на частотну область замість часу.

Якщо б ценерів не було, і вихід дозволив плавати близько 50 В, чи наблизився б він до 100% ефективності?

Ні, ви втрачаєте силу у всіх діодах і всіх резисторах. Якщо ви вилучите діод Зенера, ви втратите в основному всі регулювання; напруга та рівень пульсацій сильно відрізнятимуться від опору навантаження.

Зенер - це те, що дає вихід 3,3 В. Конденсатор не «знижує» напругу, він просто всмоктує заряд, коли випрямлений змінений струм перевищує напругу ценера, і подає навантаження в часи, коли випрямлений змінного струму менше цього. Оскільки ваше навантаження становить лише 10 К, а кришка - 47 фунтов, постійна RC-константа 0,47 секунди означає, що конденсатор не розряджається сильно, поки вимкнений ценер, значить, напруга навантаження не сильно спадає під час роботи на потужності конденсатора.

Основним витратником потужності був би серійний резистор, оскільки він приймає весь навантажувальний (і ценеровий) струм і падає практично всю лінійну напругу.

Якщо ви зупинили ценер і спробували використати це як нерегульоване харчування, ефективність залежить від навантаження. Більше струм означає більше розсіювання в цьому резисторі серії, означає менший ККД. Ви можете досягти майже 100% ефективності лише в тому випадку, якщо малюєте лише неймовірно невеликі величини струму, і в такому випадку напруга також піднімається приблизно в 1,4 раза від лінійної напруги RMS.

Ось моделювання, на яке я дивлюся. Не звертайте занадто багато уваги на миттєві показання на стороні змінного струму, оскільки вони, звичайно, коливаються.

Якщо я налаштую навантаження 10 к на 1 к навантаження, я можу вийти лише на 782 мВ.

Ну, насправді це дуже просто:

Це ваш імпеданс конденсатора. Він змінюється з 60 або 50 Гц.

Ваш максимальний струм завжди буде:

$V_{in}$