แหล่งจ่ายไฟแบบ capacitive มีประสิทธิภาพแค่ไหน?

บางสิ่งเช่นนี้

รุ่น Falstad sim ของมัน

(ฉันเหนื่อยฉันทำผิดพลาดอยู่เรื่อย ๆ โปรดขอโทษฉันเป็นครั้งที่สอง)

ตอนนี้สิ่งเหล่านี้ไม่ปลอดภัยนัก PSU เนื่องจากขาดความโดดเดี่ยว แต่ในหน่วยที่ปิดผนึกอาจเป็นวิธีที่ถูกในการรับแรงดันไฟฟ้าของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ไม่มี SMPS หรือหม้อแปลง

มันไม่มีประสิทธิภาพ 100% อันเนื่องมาจากซีเนอร์และตัวต้านทาน แต่ฉันมีคำถามหลายข้อ

1. ตัวเก็บประจุลดแรงดันลงได้อย่างไร มันสิ้นเปลืองพลังงานเหมือนความร้อนไหม?
2. หากซีเนอร์หายไปและกำลังส่งออกให้ลอยประมาณ 50V มันจะเข้าใกล้ประสิทธิภาพ 100% หรือไม่?

วงจรนี้เป็นหนึ่งในประเภทของวงจรที่เรียกว่า "Transformerless AC to DC Powersupply" หรือ "CR dropper circuit" สำหรับตัวอย่างอื่นดู "Massmind: Transformerless AC ไป DC POWERSUPPLY"หรือ "Massmind: Transformerless capacitive เลือดออกแปลงพลังงาน"หรือ "ST AN1476: ต้นทุนต่ำแหล่งจ่ายไฟสำหรับเครื่องใช้ในบ้าน"

อุปกรณ์ดังกล่าวมีตัวประกอบกำลังใกล้ 0 ทำให้เกิดข้อสงสัยว่าเป็นไปตามกฎหมายปัจจัยด้านพลังงานที่ได้รับคำสั่งจาก EU เช่น EN61000-3-2 ยิ่งไปกว่านั้นเมื่ออุปกรณ์ดังกล่าวเสียบเข้ากับ UPS "คลื่นสี่เหลี่ยม" หรือ "คลื่นไซน์ดัดแปลง" มันจะมีการกระจายพลังงานที่สูงกว่ามาก (ประสิทธิภาพแย่ลง) มากกว่าเมื่อเสียบเข้ากับไฟเมน - หากผู้ที่สร้างวงจรนี้ไม่ได้ เลือกตัวต้านทานความปลอดภัยและซีเนอร์ขนาดใหญ่พอที่จะรองรับพลังเพิ่มเติมนี้พวกเขาอาจร้อนเกินไปและล้มเหลว ข้อเสียสองประการนี้อาจเป็นสาเหตุที่วิศวกรบางคนพิจารณาเทคนิค "CR dropper" " หลบและอันตราย "

ตัวเก็บประจุลดแรงดันลงได้อย่างไร

มีหลายวิธีในการอธิบายเรื่องนี้ วิธีหนึ่ง (อาจไม่ใช่วิธีที่ง่ายที่สุด):

ขาข้างหนึ่งของตัวเก็บประจุติดอยู่ (ผ่านตัวต้านทานความปลอดภัย) กับสายไฟ "ร้อน" ซึ่งแกว่งไปมาที่ 100 VAC ขาอีกข้างหนึ่งของตัวเก็บประจุเชื่อมต่อกับบางสิ่งซึ่งมักจะอยู่ภายในไม่กี่โวลต์ของพื้นดิน ถ้าอินพุตเป็น DC ตัวเก็บประจุจะบล็อกกระแสใด ๆ ไม่ให้ไหลผ่านเลย แต่เนื่องจากอินพุตเป็น AC ตัวเก็บประจุจึงให้กระแสไหลผ่านได้เล็กน้อย (สัดส่วนกับความจุ) เมื่อใดก็ตามที่เรามีแรงดันไฟฟ้าข้ามส่วนประกอบและกระแสไหลผ่านส่วนประกอบเราคนอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถต้านทานการคำนวณสมรรถภาพที่มีประสิทธิภาพโดยใช้กฎของโอห์ม:

(โดยปกติเราจะพูดว่า R = V / I แต่เราชอบใช้ Z เมื่อพูดถึงความต้านทานของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำมันเป็นประเพณีใช่ไหม?)

หากคุณแทนที่ตัวเก็บประจุนั้นด้วย "ตัวต้านทานเทียบเท่า" ด้วยความต้านทาน R จริงเท่ากับความต้านทานสัมบูรณ์ Z ของตัวเก็บประจุนั้น "กระแส" (RMS AC) เดียวกันจะไหลผ่านตัวต้านทานนั้นผ่านตัวเก็บประจุดั้งเดิมของคุณและแหล่งจ่ายไฟ จะทำงานเกี่ยวกับเดียวกัน (ดู ST AN1476 สำหรับตัวอย่างของแหล่งจ่ายไฟ "ตัวต้านทานตัวต้านทาน" ดังกล่าว)

ตัวเก็บประจุสูญเสียพลังงานในฐานะความร้อนหรือไม่?

ตัวเก็บประจุในอุดมคติไม่แปลงพลังงานใด ๆ เป็นความร้อน - พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่ไหลเข้าสู่ตัวเก็บประจุในอุดมคติในที่สุดก็ไหลออกมาจากตัวเก็บประจุเป็นพลังงานไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุที่แท้จริงมีความต้านทานอนุกรมกาฝาก (ESR) และความต้านทานขนานกาฝากในปริมาณที่น้อยดังนั้นพลังงานอินพุตจำนวนเล็กน้อยจะถูกแปลงเป็นความร้อน แต่ตัวเก็บประจุที่แท้จริงจะกระจายพลังงานน้อยกว่า (มีประสิทธิภาพมากกว่า) กว่า "ตัวต้านทานที่เทียบเท่า" จะกระจายไป ตัวเก็บประจุที่แท้จริงสลายพลังงานน้อยกว่าตัวต้านทานความปลอดภัยหรือสะพานไดโอดจริง

ถ้าซีเนอร์หายไปและเอาท์พุทปล่อยให้ลอยประมาณ 50V ...

หากคุณสามารถปรับความต้านทานของโหลดของคุณหรือเปลี่ยนฝาครอบหยดหนึ่งที่มีความจุที่แตกต่างกันที่คุณเลือกคุณสามารถบังคับเอาท์พุทที่จะลอยที่ใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าที่คุณเลือก แต่คุณจะมีระลอกคลื่นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ถ้าซีเนอร์หายไปแล้วก็ปล่อยให้ลอย ... มันจะเข้าใกล้ถึงประสิทธิภาพ 100% หรือไม่?

Good eye - ซีเนอร์เป็นส่วนที่เป็นส่วนที่สิ้นเปลืองพลังงานมากที่สุดในวงจรนี้ ตัวควบคุมเชิงเส้นที่นี่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรนี้อย่างมีนัยสำคัญ

หากคุณสมมติตัวเก็บประจุในอุดมคติ (ซึ่งเป็นข้อสมมติที่ดี) และไดโอดในอุดมคติ (ไม่ใช่ข้อสมมติที่ดี) จะไม่มีการสูญเสียพลังงานในส่วนประกอบเหล่านั้น ในการทำงานปกติพลังงานที่สูญเสียไปค่อนข้างน้อยในตัวต้านทานการป้องกันความปลอดภัย เนื่องจากไม่มีที่ไหนที่พลังจะไปเช่นวงจรในอุดมคติจะให้ประสิทธิภาพ 100% แต่มันก็จะมีระลอกด้วยเช่นกัน คุณสามารถติดตามวงจร no-zener นี้โดยใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นเพื่อกำจัดระลอกนั้นและยังได้รับประสิทธิภาพสุทธิมากกว่า 75%

"กฏหมาย" ที่ " ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะมีประสิทธิภาพ$V_{out}/V_{in}$ " จะใช้กับตัวควบคุมเชิงเส้น DC ถึง DC เท่านั้น กฎนั้นใช้ไม่ได้กับวงจรนี้เพราะวงจรนี้มีอินพุต AC และดังนั้นวงจรนี้จึงมีประสิทธิภาพที่ดีกว่า "กฎ" ที่ทำนายไว้มาก

แก้ไข: Dave Tweed ชี้ให้เห็นว่าเพียงแค่แทนที่ซีเนอร์ด้วยตัวควบคุมเชิงเส้นจริง ๆ แล้วทำให้วงจรโดยรวมนี้มีประสิทธิภาพน้อยลง

ฉันพบว่ามันตอบโต้ได้ง่ายซึ่งจงใจสิ้นเปลืองพลังงานบางส่วนทำให้ระบบทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น (วงจรอื่นที่เพิ่มความต้านทานเล็กน้อยทำให้ดีขึ้น: กระแสระลอกในหม้อแปลงไฟฟ้าเชิงเส้น )

ฉันสงสัยว่ามีวิธีอื่นอีกไหมในการปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรนี้ว่ามีความซับซ้อนน้อยกว่าตัวควบคุมการสลับ 2 ทรานซิสเตอร์หรือไม่?

ฉันสงสัยว่าการปรับเปลี่ยนวงจรเพิ่มเติมโดยการเพิ่มตัวเก็บประจุอื่นผ่านขา AC ของวงจรเรียงกระแสบริดจ์อาจส่งผลให้มีประสิทธิภาพมากกว่าวงจรซีเนอร์ดั้งเดิมหรือไม่ (ในคำอื่น ๆ วงจรตัวแบ่ง capacitive เช่นนี้ จำลอง Falstad ?)

แหล่งจ่ายไฟนี้ใช้งานได้ตามที่ออกแบบไว้เท่านั้น (ให้แรงดันไฟฟ้าคงที่เนื้อหา) โดยการใช้พลังงานคงที่จากแหล่งจ่ายไฟหลัก มันเป็นแหล่งจ่ายกระแสไฟ AC ตรงข้ามกับแหล่งจ่ายแรงดัน

ดังนั้นคุณต้องมีไดโอดบริดจ์ตัวสะสมพลังงาน (ตัวเก็บประจุ) และตัวปรับแรงดันไฟฟ้าเพื่อแปลงให้เป็น DC

อย่างไรก็ตามเนื่องจากพลังงานคงที่ถูกดึงออกมาจากแหล่งจ่ายไฟ AC พลังงานใด ๆ ที่ไม่ได้ใช้โดยโหลดจะต้องกระจายไป นั่นคือเหตุผลที่ใช้ไดโอดซีเนอร์ พลังงานส่วนเกินใด ๆ จะกระจายไปในรูปแบบของความร้อนในไดโอดซีเนอร์ ถ้ามันควบคุมเชิงเส้นแรงดันไฟฟ้าอินพุตจะปีนขึ้นไปด้านบนสูงสุด V ของตน_{ในการ}ไปยังจุดที่มันเผาผลาญขึ้น และเนื่องจากปริมาณพลังงานที่ดึงออกมาจากไฟ AC ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า AC และความถี่ (เนื่องจากปฏิกิริยา), ไดโอดซีเนอร์ยังช่วยรักษาแรงดันไฟฟ้าคงที่ในความแปรปรวนของแรงดันไฟ AC และ / หรือความถี่

ประสิทธิภาพ:

ปัจจัยที่มีอำนาจไม่ได้ประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟและไม่เป็นมัน V _ออก / V ใน ประสิทธิภาพคือ P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ) ในแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นผม_ออกจะได้รับการพิจารณาให้เป็นเช่นเดียวกับผม_ใน (ถ้าคุณทิ้งฉัน_Q ) และดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพสามารถประยุกต์เป็น V _ออก / V ใน ในแหล่งจ่ายไฟแบบ capacitive อย่างไรก็ตาม P _inนั้นมีค่าคงที่ดังนั้นประสิทธิภาพของมันจะขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่เหลืออยู่ที่โหลดจริง

ปัจจัยอำนาจ (PF):

ฉันใช้แหล่งจ่ายไฟแบบคาปาซิทีฟในหน่วยนับพัน แต่ด้วยค่าที่ต่างกัน (470 nF, 220 VAC) แหล่งจ่ายไฟของเราใช้พลังงานประมาณ 0.9 วัตต์ แต่ประมาณ 7.2 VA (Volt-Ampere) มันมีตัวประกอบกำลังที่แย่มากแต่ก็เป็นวิธีที่ดีมาก เนื่องจากมันทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุจึงช่วยแก้ไข (นำเข้าใกล้ 1) PF ที่ไม่ดีของมอเตอร์ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำและเป็นแหล่งหลักของ PF ที่ไม่ดี ไม่ว่าในกรณีใดมันเป็นกระแสไฟฟ้าต่ำที่ไม่สร้างความแตกต่างมากนัก

เกี่ยวกับส่วนประกอบ:

ตัวต้านทาน 47 โอห์ม:

โดยมีวัตถุประสงค์คือเพื่อ จำกัด กระแสผ่านตัวเก็บประจุและไดโอดซีเนอร์เมื่อมีการเสียบวงจรเป็นครั้งแรกเนื่องจากไฟ AC สามารถทำมุมใดก็ได้ (แรงดันไฟฟ้า) และตัวเก็บประจุไม่มีประจุดังนั้นจึงทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจร

2.2 ตัวต้านทาน Mohm:

วัตถุประสงค์คือเพื่อปลดปล่อยตัวเก็บประจุ 33 nF เนื่องจากแรงดันตัวเก็บประจุสามารถเป็นค่าใด ๆ เมื่อคุณตัดการเชื่อมต่อไฟ ไม่อย่างนั้นมันจะไม่มีเส้นทางที่จะปลดปล่อย แต่นิ้วของใครบางคน (มันเกิดขึ้นกับฉันหลายครั้ง)

ตัวเก็บประจุ 33 nF:

ตามที่บางคนระบุไว้อย่างถูกต้องพวกเขาเปลี่ยนตัวต้านทานแรงดันไฟฟ้าแบ่งโดยใช้ประโยชน์จากความเป็นจริงของปฏิกิริยาของพวกเขาที่ 50 หรือ 60 Hz ไฟ คุณไม่ได้รับความร้อนจากตัวต้านทานที่เทียบเท่า แต่เปลี่ยนมุมของกระแสกับแรงดันแทน

วงจรเรียงกระแสไดโอด (สะพาน):

ควรอธิบายตนเอง แต่ไม่จำเป็น ไดโอดตัวเดียวจะพอเพียง (ในการกำหนดค่าที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า แต่ปลอดภัยกว่า) สิ่งนี้มีไว้เพื่อให้ปฏิกิริยาของตัวเก็บประจุ 33 nF ทำงานได้คุณต้องกระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียวและจากนั้นกระแสไฟฟ้าที่แน่นอนไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม

จำนวนไดโอดที่ใช้และการกำหนดค่าขึ้นอยู่กับหลายสิ่งหลายอย่าง เมื่อใช้หนึ่งไดโอดและเชื่อมต่อสายไฟที่เป็นกลางและเฟสอย่างถูกต้องวงจร GND ของคุณจะเป็น AC ที่เป็นกลางทำให้การส่งออกมีความปลอดภัยมากขึ้น

การใช้ไดโอดบริดจ์หมายความว่าครึ่งหนึ่งของเวลาที่เอาต์พุตลบมีค่าเป็นกลางและอีกครึ่งหนึ่งเป็นเฟสเมน! แน่นอนทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับว่าคุณอยู่ที่ไหนในโลก ประเทศหรือภูมิภาคที่แห้งมากมักใช้เฟสในการเชื่อมต่อแบบเฟสโดยปราศจากความเป็นกลางเนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าต่ำของพื้นดิน นอกจากนี้คุณยังสามารถรับเอาท์พุทแรงดันไฟฟ้าสองตัวได้โดยใช้ไดโอดไดโอดแก้ไขสองตัวไดโอดซีเนอร์และตัวเก็บประจุ 47 µF

ซีเนอร์ไดโอด:

โดยมีวัตถุประสงค์คือเพื่อรักษาแรงดันคงที่ (ค่อนข้าง) ที่เอาท์พุทของแหล่งจ่ายไฟ กระแสเกินที่ไม่ได้ใช้งานโดยโหลดจะไหลผ่านลงสู่พื้นดินและจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน

ตัวเก็บประจุ 47 µF:

มันกรองกระแสไซน์ออกจากตัวเก็บประจุ 33 nF

เพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้นคุณจะต้องลดตัวต้านทาน 47 โอห์มเป็นกระแสสูงสุดที่ซีเนอร์จะอนุญาตเมื่อเสียบที่จุดสูงสุด AC และปรับตัวเก็บประจุ 33 nF ให้ใกล้กับโหลดที่คุณต้องการ

อย่าทำมัน วงจรเหล่านี้ค่อนข้างอันตรายจริงๆ

พวกมันมีประสิทธิภาพค่อนข้างแย่ แต่ก็ไม่สำคัญว่าวงจรแบบนี้จะทำงานได้เฉพาะกับกระแสคงที่ที่ต่ำมาก คุณสูญเสียพลังงานในทุกตัวต้านทานไดโอดและบางอย่างในตัวเก็บประจุเนื่องจากESR ESR ของฝาเซรามิกนั้นค่อนข้างสูงที่ 50 Hz

คุณไม่สามารถเปิดวงจรวงจรเหล่านี้อย่างน้อยก็ไม่ต้องไม่มีไดโอดซีเนอร์ขนาดใหญ่เอาตัวต้านทานโหลดและดูกระแสผ่านไดโอดซีเนอร์ โดยทั่วไปคุณต้องใช้งานพวกมันที่กระแสโหลดคงที่บางอย่างในช่วง 10-15 มิลลิแอมป์มักจะได้รับการควบคุมที่เหมาะสม เมื่อกระแสของคุณสูงขึ้นระลอกคลื่นของคุณจะเพิ่มขึ้นมากและแรงดันไฟฟ้าขาออกจะเริ่มลดลง

ตามคำถามของคุณ:

ตัวเก็บประจุลดแรงดันลงได้อย่างไร มันสิ้นเปลืองพลังงานเหมือนความร้อนไหม?

โดยพื้นฐานแล้วคุณได้สร้างชุดตัวกรองความถี่ต่ำผ่านซึ่งมีความต้านทานโหลดในช่วงการทำงานที่คุณหลังจากการลดทอนที่ 50 Hz เป็นสิ่งที่จำเป็น เมื่อความต้านทานโหลดลดลง (เพิ่มในปัจจุบัน) การลดทอนนี้จะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่แรงดันไฟฟ้าควบคุมของคุณลดลง

วงจรจะทำให้เข้าใจได้มากขึ้นถ้าคุณดูในโดเมนความถี่แทนเวลา

หากซีเนอร์หายไปและกำลังส่งออกให้ลอยประมาณ 50V มันจะเข้าใกล้ประสิทธิภาพ 100% หรือไม่?

ไม่คุณสูญเสียพลังงานในไดโอดและตัวต้านทานทั้งหมด หากคุณนำไดโอดซีเนอร์ออกคุณจะสูญเสียกฎระเบียบทั้งหมดโดยทั่วไป แรงดันไฟฟ้าและระดับระลอกจะแตกต่างกันอย่างมากกับความต้านทานโหลด

ซีเนอร์คือสิ่งที่ให้เอาต์พุต 3.3V แก่คุณ ตัวเก็บประจุไม่ได้ 'ลดแรงดันไฟฟ้า' ลงเพียงแค่ดูดประจุเมื่อใดก็ตามที่กระแสสลับที่แก้ไขเกิดขึ้นเกินแรงดันซีเนอร์และป้อนโหลดในช่วงเวลาที่กระแสสลับน้อยกว่านั้น เนื่องจากโหลดของคุณมีเพียง 10K และฝาปิดคือ 47uF ค่าคงที่ RC 0.47 วินาทีหมายความว่าตัวเก็บประจุไม่ปล่อยประจุมากขณะที่ซีเนอร์ปิดอยู่หมายความว่าแรงดันโหลดไม่ได้ลดลงอย่างมากในขณะที่ทำงานกับตัวเก็บประจุ

ตัวแยกพลังงานที่สำคัญคือตัวต้านทานการปล่อยซีรีส์เนื่องจากมันใช้กระแสโหลด (และซีเนอร์) ทั้งหมดและจะลดลงตามแรงดันไฟฟ้าของสายทั้งหมด

หากคุณออกจากซีเนอร์และพยายามใช้สิ่งนี้เป็นแหล่งจ่ายที่ไม่มีการควบคุมประสิทธิภาพจะขึ้นอยู่กับโหลด กระแสที่มากขึ้นหมายถึงการกระจายตัวต้านทานแบบอนุกรมที่มากขึ้นหมายถึงประสิทธิภาพที่ลดลง คุณสามารถรับประสิทธิภาพได้ใกล้ 100% เฉพาะในกรณีที่คุณวาดกระแสไฟฟ้าในปริมาณนาทีอย่างไม่น่าเชื่อเท่านั้นในกรณีนี้แรงดันไฟฟ้าจะสูงถึงประมาณ 1.4 เท่าของแรงดันไฟฟ้า RMS ของสาย

นี่คือการจำลองที่ฉันกำลังดู อย่าให้ความสนใจมากเกินไปกับการอ่านค่าทางด้าน AC ทันทีเนื่องจากมันผันผวนแน่นอน

หากฉันปรับโหลด 10k เป็นโหลด 1k ฉันจะสามารถออกได้ 782mV เท่านั้น

จริง ๆ แล้วมันค่อนข้างง่าย:

นั่นคือความต้านทานตัวเก็บประจุของคุณ มันเปลี่ยนแปลงด้วย 60 หรือ 50 Hz

กระแสสูงสุดของคุณจะเป็น:

$V_{in}$