Làm thế nào hiệu quả là một nguồn cung cấp điện dung?

Một cái gì đó như thế này

Phiên bản sim Falstad của nó

(Tôi mệt mỏi, tôi tiếp tục mắc lỗi, vì vậy xin thứ lỗi cho tôi lần thứ hai.)

Bây giờ những PSU này không an toàn lắm, do thiếu sự cô lập. Nhưng trong các bộ phận kín, chúng có thể là một cách rẻ tiền để có được điện áp cung cấp cho một vi điều khiển mà không cần SMPS hoặc máy biến áp.

Chúng không hiệu quả 100% do zener và điện trở. Nhưng, tôi có một số câu hỏi.

1. Làm thế nào để tụ điện bước xuống điện áp, anyway? Liệu nó có lãng phí năng lượng như nhiệt?
2. Nếu zener đã biến mất và đầu ra được thả nổi khoảng 50V, liệu nó có đạt hiệu suất 100% không?

Mạch này là một trong các loại mạch được gọi là "Powersupply biến áp AC thành DC" hoặc "mạch nhỏ giọt CR". Đối với các ví dụ khác, xem "Massmind: Transformerless AC to DC Powersupply" hoặc "Massmind: chuyển đổi năng lượng chảy không điện dung biến áp" hoặc "ST AN1476: Cung cấp năng lượng chi phí thấp cho các thiết bị gia dụng" .

Một thiết bị như vậy có hệ số công suất gần 0, khiến người ta nghi ngờ liệu nó có đáp ứng các luật về hệ số công suất do EU ủy quyền hay không, chẳng hạn như EN61000-3-2. Thậm chí tệ hơn, khi một thiết bị như vậy được cắm vào UPS "sóng vuông" hoặc "sóng hình sin đã sửa đổi", nó có khả năng tiêu tán năng lượng cao hơn (hiệu quả kém hơn) so với khi cắm vào nguồn điện chính - nếu người xây dựng mạch này không chọn điện trở an toàn và zener đủ lớn để xử lý công suất bổ sung này, chúng có thể bị quá nóng và hỏng. Hai nhược điểm này có thể là lý do tại sao một số kỹ sư coi kỹ thuật "CR dropper" " tinh ranh và nguy hiểm ".

Làm thế nào để tụ điện bước xuống điện áp?

Có một số cách giải thích điều này. Một cách (có lẽ không trực quan nhất):

Một chân của tụ điện được gắn (thông qua một điện trở an toàn) với nguồn điện "nóng" dao động ở mức trên 100 VAC. Chân còn lại của tụ điện được kết nối với một cái gì đó luôn nằm trong một vài volt mặt đất. Nếu đầu vào là DC, thì tụ sẽ chặn hoàn toàn bất kỳ dòng điện nào chạy qua nó. Nhưng vì đầu vào là AC, tụ điện cho phép một dòng điện nhỏ chạy qua nó (tỷ lệ với điện dung của nó). Bất cứ khi nào chúng ta có điện áp trên một thành phần và dòng điện chạy qua thành phần đó, người điện tử chúng ta không thể cưỡng lại việc tính toán trở kháng hiệu quả bằng định luật Ohm:

(Thông thường chúng ta nói R = V / I, nhưng chúng ta thích sử dụng Z khi nói về trở kháng của tụ điện và cuộn cảm. Đó là truyền thống, OK?)

Nếu bạn thay thế tụ điện đó bằng "điện trở tương đương" bằng trở kháng thực R bằng trở kháng Z tuyệt đối của tụ điện đó, dòng điện "RMS AC" tương tự sẽ chạy qua điện trở đó như qua tụ điện ban đầu của bạn và nguồn điện sẽ hoạt động tương tự (xem ST AN1476 để biết ví dụ về nguồn cung cấp điện "ống nhỏ giọt điện trở" như vậy).

Liệu các tụ điện lãng phí năng lượng như nhiệt?

Một tụ điện lý tưởng không bao giờ chuyển đổi bất kỳ năng lượng nào thành nhiệt - tất cả năng lượng điện chảy vào một tụ điện lý tưởng cuối cùng chảy ra khỏi tụ điện dưới dạng năng lượng điện.

Một tụ điện thực sự có một lượng nhỏ điện trở loạt ký sinh (ESR) và điện trở song song ký sinh, do đó một lượng nhỏ năng lượng đầu vào được chuyển đổi thành nhiệt. Nhưng bất kỳ tụ điện thực sự nào tiêu tán ít năng lượng hơn (hiệu quả hơn nhiều) so với "điện trở tương đương" sẽ tiêu tan. Một tụ điện thực sự tiêu tán ít năng lượng hơn nhiều so với các điện trở an toàn hoặc một cầu diode thực sự.

Nếu zener đã biến mất và đầu ra được thả nổi khoảng 50V ...

Nếu bạn có thể điều chỉnh điện trở của tải, hoặc trao đổi nắp thả cho một loại có điện dung khác bạn chọn, bạn có thể buộc đầu ra nổi ở gần với bất kỳ điện áp nào bạn chọn. Nhưng bạn chắc chắn sẽ có một số gợn.

Nếu zener đã biến mất và đầu ra được thả nổi ... nó có đạt hiệu quả 100% không?

Mắt tốt - zener là phần lãng phí năng lượng nhất trong mạch này. Một bộ điều chỉnh tuyến tính ở đây sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả của mạch này.

Nếu bạn giả sử các tụ điện lý tưởng (đó là một giả định tốt) và điốt lý tưởng (không phải là một giả định tốt), thì không có nguồn nào bị mất trong các thành phần đó. Trong hoạt động bình thường, tương đối ít mất điện trong các điện trở bảo vệ an toàn. Vì không có nơi nào khác để nguồn điện đi, một mạch lý tưởng hóa như vậy sẽ mang lại cho bạn hiệu quả 100%. Nhưng nó cũng sẽ có một vài gợn sóng. Bạn có thể theo dõi mạch không zener này với bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính để loại bỏ gợn đó và vẫn đạt hiệu suất ròng trên 75%.

"Định luật" rằng " bộ điều chỉnh điện áp luôn có hiệu suất$V_{out}/V_{in}$ " chỉ áp dụng cho bộ điều chỉnh DC tuyến tính đến bộ điều chỉnh DC. Luật đó không áp dụng cho mạch này, bởi vì mạch này có đầu vào AC, và do đó mạch này có thể có hiệu quả tốt hơn nhiều so với "luật" dự đoán.

EDIT: Dave Tweed chỉ ra rằng chỉ cần thay thế zener bằng bộ điều chỉnh tuyến tính thực sự làm cho mạch tổng thể này kém hiệu quả hơn.

Tôi thấy nó phản trực giác khi cố tình lãng phí một số năng lượng làm cho hệ thống hoạt động hiệu quả hơn. (Một mạch khác trong đó thêm một chút điện trở làm cho nó hoạt động tốt hơn: Dòng điện gợn trong máy biến áp cung cấp điện tuyến tính ).

Tôi tự hỏi nếu có một số cách khác để cải thiện hiệu quả của mạch này, đó là ít phức tạp hơn so với một bộ điều chỉnh chuyển đổi 2 bóng bán dẫn ?

Tôi tự hỏi nếu sửa đổi thêm mạch bằng cách thêm một tụ điện khác qua chân AC của bộ chỉnh lưu cầu có thể dẫn đến một cái gì đó hiệu quả hơn so với mạch zener ban đầu? (Nói cách khác, một mạch phân chia điện dung như mô phỏng Falstad này ?)

Bộ nguồn này chỉ hoạt động như thiết kế (cung cấp điện áp không đổi được cho là) ​​bằng cách tiêu thụ một nguồn điện không đổi từ nguồn điện xoay chiều. Nó là nguồn điện xoay chiều, trái ngược với nguồn điện áp.

Do đó, bạn cần một cầu diode, bộ tích lũy năng lượng (tụ điện) và bộ điều chỉnh điện áp để biến nó thành DC.

Tuy nhiên, do một năng lượng không đổi được lấy từ nguồn điện xoay chiều, nên bất kỳ năng lượng nào không được tiêu thụ bởi tải phải được tiêu tan. Đó là lý do tại sao một diode Zener được sử dụng; bất kỳ năng lượng dư thừa nào đều bị tiêu tán dưới dạng nhiệt trong diode Zener. Nếu nó là một điều tuyến tính, điện áp đầu vào sẽ leo lên trên tối đa V của nó _ở đến điểm mà nó cháy lên. Và bởi vì lượng điện năng được rút ra từ nguồn điện xoay chiều phụ thuộc vào điện áp và tần số AC (vì phản ứng), diode Zener cũng giúp duy trì điện áp không đổi trong phương sai của điện áp và / hoặc điện áp nguồn AC.

Hiệu quả:

Các hệ số công suất không phải là hiệu quả của việc cung cấp điện và cũng không phải là V _ra A / V _trong . Hiệu quả là P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). Trong một nguồn cung cấp năng lượng tuyến tính, tôi _ra có thể được coi là tương tự như tôi _trong (nếu bạn bỏ tôi _q ) và do đó hiệu quả có thể được đơn giản hóa như V _ra A / V _trong . Tuy nhiên, _trong một nguồn cung cấp điện dung, P _in là không đổi, do đó hiệu quả của nó sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào mức công suất khả dụng mà tải thực sự rút ra.

Hệ số công suất (PF):

Tôi đã sử dụng nguồn cung cấp điện dung trong hàng ngàn đơn vị, nhưng với các giá trị khác nhau (470 nF, 220 VAC). Nguồn điện của chúng tôi tiêu thụ khoảng 0,9 watt, nhưng khoảng 7,2 VA (Volt-Ampere). Nó có một yếu tố sức mạnh rất xấu , nhưng theo một cách rất tốt. Vì nó hoạt động như một tụ điện, nó giúp điều chỉnh (đưa gần hơn 1) PF xấu của động cơ, hoạt động như cuộn cảm và là nguồn chính của PF chính. Trong mọi trường hợp, nó là một dòng điện thấp đến mức dù sao nó cũng không tạo ra nhiều sự khác biệt.

Về các thành phần:

Điện trở 47 ohm:

Mục đích của nó là để hạn chế dòng điện qua tụ điện và diode Zener khi mạch được cắm lần đầu tiên, bởi vì nguồn điện xoay chiều có thể ở bất kỳ góc (điện áp) nào và tụ điện không có điện tích nên nó hoạt động như một mạch ngắn.

Điện trở 2.2 Mohm:

Mục đích của nó là để xả tụ 33 nF, bởi vì điện áp của tụ có thể ở bất kỳ giá trị nào khi bạn ngắt kết nối nguồn điện. nếu không, nó sẽ không có đường để xả trừ ngón tay của ai đó (nó đã xảy ra với tôi nhiều lần).

Tụ 33 nF:

Như một số người đã tuyên bố chính xác, họ thay thế một điện trở chia điện áp bằng cách khai thác thực tế phản ứng của họ ở nguồn điện 50 hoặc 60 Hz. Bạn không nhận được chất thải nhiệt của một điện trở tương đương, mà thay vào đó thay đổi góc của dòng điện so với điện áp.

Điốt chỉnh lưu (Cầu):

Nên tự giải thích, nhưng chúng không cần thiết; một diode sẽ đủ (trong một cấu hình kém hiệu quả hơn nhưng an toàn hơn). Điều này là để phản ứng tụ 33 nF hoạt động, bạn cần dòng điện chạy theo một hướng và sau đó chính xác là dòng điện chạy theo hướng ngược lại.

Có bao nhiêu điốt được sử dụng và trong đó cấu hình phụ thuộc vào rất nhiều thứ. Khi sử dụng một diode và kết nối chính xác dây trung tính và pha, mạch GND của bạn sẽ là trung tính AC, làm cho đầu ra an toàn hơn rất nhiều, nhưng có nhược điểm là chỉ có các sóng bán dẫn tích cực mới được truyền tới tụ 47 47F.

Sử dụng cầu diode có nghĩa là một nửa thời gian đầu ra âm là trung tính, nửa còn lại là pha chính! Tất nhiên, tất cả phụ thuộc vào nơi bạn ở trên thế giới (theo nghĩa đen). Các quốc gia hoặc khu vực rất khô có xu hướng sử dụng kết nối pha với pha mà không trung tính do độ dẫn điện thấp của mặt đất. Bạn cũng có thể nhận được hai đầu ra điện áp chỉ bằng hai điốt chỉnh lưu, điốt zener và 47 tụ điện.

Diode Zener:

Mục đích của nó là duy trì điện áp không đổi (phần nào) ở đầu ra của nguồn điện. Bất kỳ dòng điện dư nào không được tiêu thụ bởi tải sẽ chảy qua nó xuống đất, và do đó được chuyển thành nhiệt.

47 tụ điệnF:

Nó lọc ra dòng điện hình sin được cung cấp bởi tụ 33 nF.

Để có hiệu suất cao hơn, bạn cần giảm điện trở 47 ohm xuống dòng tối đa mà zener sẽ cho phép khi cắm đúng vào cực đại AC và điều chỉnh tụ 33 nF gần nhất với dòng tải chính xác mà bạn cần.

Đừng làm điều đó; những mạch này thực sự khá nguy hiểm.

Chúng có hiệu quả khá tệ, nhưng nó không thực sự quan trọng vì một mạch như thế này chỉ có thể hoạt động với dòng điện ổn định rất thấp. Bạn mất điện trong tất cả các điện trở, điốt và một số trong các tụ điện do ESR . ESR của nắp gốm có thể khá cao ở 50 Hz.

Bạn không thể mở các mạch này, ít nhất là không có diode Zener cồng kềnh , loại bỏ điện trở tải và xem dòng điện qua diode Zener. Về cơ bản, bạn phải vận hành chúng ở dòng tải không đổi, thường là trong phạm vi 10-15 mA để có được quy định hợp lý. Khi dòng điện của bạn tăng lên, gợn của bạn sẽ tăng lên rất nhiều và đầu ra điện áp sẽ bắt đầu chùng xuống rất nhiều.

Đối với câu hỏi của bạn:

Làm thế nào để tụ điện bước xuống điện áp, anyway? Liệu nó có lãng phí năng lượng như nhiệt?

Về cơ bản, bạn đã xây dựng một bộ lọc thông thấp sao cho có khả năng chịu tải trong phạm vi hoạt động sau khi suy giảm ở mức 50 Hz là bất cứ điều gì cần thiết. Khi điện trở tải giảm (dòng điện tăng), sự suy giảm này sẽ tăng đến điểm mà điện áp quy định của bạn giảm xuống.

Mạch sẽ có ý nghĩa hơn rất nhiều nếu bạn nhìn vào miền tần số thay vì thời gian.

Nếu zener đã biến mất và đầu ra được thả nổi khoảng 50V, liệu nó có đạt hiệu suất 100% không?

Không, bạn mất điện trong tất cả các điốt và tất cả các điện trở. Nếu bạn loại bỏ diode Zener, bạn sẽ mất tất cả các quy định; điện áp và mức độ gợn sẽ thay đổi rất nhiều với khả năng chịu tải.

Các zener là những gì cung cấp cho bạn đầu ra 3,3V. Tụ điện không "giảm điện áp", nó chỉ hấp thụ điện tích bất cứ khi nào AC được chỉnh lưu xảy ra vượt quá điện áp zener và cung cấp cho tải trong thời gian khi AC được chỉnh lưu nhỏ hơn mức đó. Vì tải của bạn chỉ 10K và nắp là 47uF, hằng số RC 0,47 giây có nghĩa là tụ không phóng điện nhiều trong khi zener tắt, có nghĩa là điện áp tải không bị chùng xuống đáng kể khi hoạt động bằng nguồn tụ.

Bộ lọc công suất chính sẽ là điện trở rơi nối tiếp, vì nó lấy tất cả dòng điện tải (và zener) và giảm thực tế tất cả điện áp đường dây.

Nếu bạn rời khỏi zener và cố gắng sử dụng nó như một nguồn cung không được kiểm soát, hiệu quả phụ thuộc vào tải. Nhiều dòng điện hơn có nghĩa là tiêu tán nhiều hơn trong điện trở loạt đó, có nghĩa là hiệu quả thấp hơn. Bạn chỉ có thể đạt được hiệu suất gần 100% nếu bạn chỉ rút ra một lượng dòng cực kỳ nhỏ, trong trường hợp đó, điện áp cũng sẽ chạy tới khoảng 1,4 lần điện áp RMS dòng.

Đây là mô phỏng tôi đang xem xét. Đừng quá chú ý đến các bài đọc tức thời ở phía AC vì tất nhiên chúng đang dao động.

Nếu tôi điều chỉnh tải 10k thành tải 1k, tôi chỉ có thể lấy ra 782mV.

Chà, thực ra nó khá đơn giản:

Đó là trở kháng tụ điện của bạn. Nó thay đổi với 60 hoặc 50 Hz.

Hiện tại tối đa của bạn sẽ luôn là:

$V_{in}$