Wie effizient ist eine kapazitive Stromversorgung?

Etwas wie das

Falstad sim Version davon

(Ich bin müde, ich mache immer wieder Fehler, bitte entschuldige mich zum zweiten Mal.)

Nun sind diese Netzteile aufgrund der fehlenden Isolation nicht sehr sicher. In geschlossenen Einheiten können sie jedoch eine kostengünstige Möglichkeit sein, die Versorgungsspannung für einen Mikrocontroller ohne SMPS oder Transformator zu erhalten.

Sie sind aufgrund des Zeners und der Widerstände nicht zu 100% effizient. Aber ich habe mehrere Fragen.

1. Wie senkt der Kondensator überhaupt die Spannung? Verschwendet es Strom als Wärme?
2. Wenn der Zener weg wäre und der Ausgang um 50 V schweben würde, würde er sich einem Wirkungsgrad von 100% annähern?

Diese Schaltung gehört zu einer Kategorie von Schaltungen, die als "transformatorloses Wechselstrom-Gleichstrom-Netzteil" oder "CR-Dropper-Schaltkreis" bezeichnet werden. Weitere Beispiele finden Sie unter "Massmind: Transformatorloses Wechselstrom-Gleichstrom-Netzteil" oder "Massmind: Kapazitive Entlüftungsstromumwandlung ohne Transformator" oder "ST AN1476: Kostengünstige Stromversorgung für Haushaltsgeräte" .

Ein solches Gerät hat einen Leistungsfaktor nahe 0, was es fraglich macht, ob es den EU-Vorschriften für Leistungsfaktoren wie EN61000-3-2 entspricht. Schlimmer noch, wenn ein solches Gerät an eine USV mit "Rechteckwelle" oder "modifizierter Sinuswelle" angeschlossen wird, hat es eine viel höhere Verlustleistung (schlechterer Wirkungsgrad) als an eine Netzsteckdose - wenn die Person, die diesen Stromkreis aufbaut, dies nicht tut Wählen Sie Sicherheitswiderstände und Zener, die groß genug sind, um mit dieser zusätzlichen Leistung fertig zu werden. Sie können überhitzen und ausfallen. Diese beiden Nachteile können der Grund sein, warum einige Ingenieure die "CR-Tropfentechnik" für " zwielichtig und gefährlich " halten.

Wie senkt der Kondensator die Spannung?

Es gibt verschiedene Erklärungsmöglichkeiten. Ein Weg (vielleicht nicht der intuitivste):

Ein Zweig des Kondensators ist (über einen Sicherheitswiderstand) mit dem "heißen" Netz verbunden, das mit über 100 VAC schwingt. Das andere Bein des Kondensators ist mit etwas verbunden, das sich immer innerhalb einiger Volt Masse befindet. Wenn der Eingang Gleichstrom wäre, würde der Kondensator jeglichen Strom daran hindern, durch ihn zu fließen. Da der Eingang jedoch Wechselstrom ist, lässt der Kondensator eine kleine Strommenge durch (proportional zu seiner Kapazität). Immer wenn eine Spannung an einer Komponente anliegt und ein Strom durch die Komponente fließt, können wir Elektroniker der Berechnung der effektiven Impedanz nach dem Ohmschen Gesetz nicht widerstehen:

(Normalerweise sagen wir R = V / I, aber wir sprechen gerne von Z, wenn es um die Impedanz von Kondensatoren und Induktivitäten geht. Es ist Tradition, okay?)

Wenn Sie diesen Kondensator durch einen "Ersatzwiderstand" mit einer realen Impedanz R ersetzen, die der absoluten Impedanz Z dieses Kondensators entspricht, fließt durch diesen Widerstand "derselbe" (RMS-Wechselstrom) wie durch Ihren ursprünglichen Kondensator und die Stromversorgung würde in etwa gleich funktionieren (siehe ST AN1476 für ein Beispiel eines solchen "Widerstands-Dropper" -Netzteils).

Verschwendet der Kondensator Strom als Wärme?

Ein idealer Kondensator wandelt niemals Energie in Wärme um - die gesamte elektrische Energie, die in einen idealen Kondensator fließt, fließt schließlich als elektrische Energie aus dem Kondensator heraus.

Ein echter Kondensator weist geringe Mengen an parasitären Serienwiderständen (ESR) und parasitären Parallelwiderständen auf, sodass ein geringer Teil der Eingangsleistung in Wärme umgewandelt wird. Jeder reale Kondensator verbraucht jedoch weit weniger Energie (weitaus effizienter) als ein "Ersatzwiderstand" verbrauchen würde. Ein echter Kondensator verbraucht viel weniger Energie als die Sicherheitswiderstände oder eine echte Diodenbrücke.

Wenn der Zener weg wäre und der Ausgang um 50V schweben würde ...

Wenn Sie den Widerstand Ihrer Last ändern oder die Schutzkappe gegen eine andere Kapazität Ihrer Wahl austauschen können, können Sie den Ausgang dazu zwingen, nahe an der von Ihnen gewählten Spannung zu schweben. Aber Sie werden unweigerlich eine Welle haben.

Wenn der Zener weg wäre und der Output schweben würde ... würde er sich einem Wirkungsgrad von 100% annähern?

Gutes Auge - der Zener ist der Teil, der die meiste Energie in dieser Schaltung verschwendet. Ein Linearregler würde hier den Wirkungsgrad dieser Schaltung erheblich verbessern.

Wenn Sie von idealen Kondensatoren (was eine gute Annahme ist) und idealen Dioden (keine so gute Annahme) ausgehen, geht in diesen Komponenten keine Energie verloren. Im Normalbetrieb geht relativ wenig Leistung in den Sicherheitsschutzwiderständen verloren. Da es keinen anderen Ort gibt, an dem die Leistung benötigt wird, würde eine solche idealisierte Schaltung einen Wirkungsgrad von 100% erzielen. Aber es würde auch eine gewisse Welligkeit haben. Möglicherweise können Sie dieser No-Zener-Schaltung mit einem linearen Spannungsregler folgen, um diese Welligkeit zu beseitigen und dennoch einen Nettowirkungsgrad von über 75% zu erzielen.

$V_{out}/V_{in}$

EDIT: Dave Tweed weist darauf hin, dass der einfache Austausch des Zener durch einen Linearregler die Effizienz dieser Gesamtschaltung beeinträchtigt.

Ich finde es kontraintuitiv, dass das System durch die absichtliche Verschwendung von Energie effizienter arbeitet. (Ein weiterer Schaltkreis, bei dem durch Hinzufügen eines kleinen Widerstands die Leistung verbessert wird: Welligkeit des Stroms in einem linearen Netzteiltransformator ).

Ich frage mich, ob es eine andere Möglichkeit gibt, die Effizienz dieser Schaltung zu verbessern, die weniger komplex ist als ein 2-Transistor-Schaltregler .

Ich frage mich, ob eine weitere Änderung der Schaltung durch Hinzufügen eines weiteren Kondensators zwischen den AC-Zweigen des Brückengleichrichters zu einer höheren Effizienz als die ursprüngliche Zenerschaltung führen könnte. (Mit anderen Worten, eine kapazitive Teilerschaltung wie diese Falstad-Simulation ?)

Dieses Netzteil funktioniert nur wie vorgesehen (liefert eine wohl konstante Spannung), indem es konstanten Strom aus dem Wechselstromnetz verbraucht. Es ist eine Wechselstromquelle im Gegensatz zu einer Spannungsquelle.

Daher benötigen Sie eine Diodenbrücke, einen Energiespeicher (Kondensator) und einen Spannungsregler, um ihn in Gleichstrom umzuwandeln.

Da dem Wechselstromnetz jedoch eine konstante Energie entnommen wird, muss die von der Last nicht verbrauchte Energie abgeführt werden. Deshalb wird eine Zenerdiode verwendet; überschüssige Energie wird in Form von Wärme in der Zenerdiode abgeführt. Wenn es sich um einen Linearregler handeln würde, würde die Eingangsspannung über ihr Maximum V _in bis zu dem Punkt ansteigen, an dem sie verbrennt. Und da die aus dem Wechselstromnetz entnommene Strommenge von der Wechselspannung und -frequenz (aufgrund der Reaktanz) abhängt, hilft die Zenerdiode auch, eine konstante Spannung in der Varianz der Wechselstromnetzspannung und / oder -frequenz aufrechtzuerhalten.

Wirkungsgrad:

Der Leistungsfaktor ist nicht der Wirkungsgrad des Netzteils und auch nicht V _out / V _in . Der Wirkungsgrad ist P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). In einer linearen Stromversorgung kann I _out als dasselbe wie I _{in angesehen werden} (wenn Sie I _q verwerfen ), und daher kann die Effizienz als V _out / V _in vereinfacht _werden . In einer kapazitiven Stromversorgung ist P _in jedoch konstant, so dass sein Wirkungsgrad völlig davon abhängt, wie viel von der verfügbaren Leistung die Last tatsächlich aufnimmt.

Leistungsfaktor (PF):

Ich habe kapazitive Netzteile in buchstäblich Tausenden von Einheiten verwendet, aber mit unterschiedlichen Werten (470 nF, 220 VAC). Unser Netzteil verbraucht ca. 0,9 Watt, aber ca. 7,2 VA (Volt-Ampere). Es hat einen sehr schlechten Leistungsfaktor , aber auf sehr gute Weise. Da es sich wie ein Kondensator verhält, hilft es, den schlechten Leistungsfaktor von Motoren, die sich wie Induktivitäten verhalten und die Hauptursache für einen schlechten Leistungsfaktor sind, zu korrigieren (näher an 1 heranzuführen). In jedem Fall ist es ein so geringer Strom, dass es sowieso keinen großen Unterschied macht.

Zu den Komponenten:

47 Ohm Widerstand:

Sein Zweck ist es, den Strom durch den Kondensator und die Zenerdiode zu begrenzen, wenn der Stromkreis zum ersten Mal eingesteckt wird, da das Wechselstromnetz sich in einem beliebigen Winkel (Spannung) befinden kann und der Kondensator keine Ladung hat, sodass er als Kurzschluss wirkt.

2,2 Mohm Widerstand:

Sie dient zum Entladen des 33-nF-Kondensators, da die Kondensatorspannung beim Trennen der Stromversorgung einen beliebigen Wert annehmen kann. andernfalls hätte es keinen Weg zur Entladung außer den Fingern von jemandem (es ist mir mehrmals passiert).

33 nF Kondensator:

Wie einige richtig angegeben haben, ersetzen sie einen Spannungsteilerwiderstand, indem sie die Tatsache ihrer Reaktanz bei einem 50- oder 60-Hz-Netz ausnutzen. Sie erhalten nicht den Wärmeverlust eines äquivalenten Widerstands, sondern ändern stattdessen den Winkel zwischen Strom und Spannung.

Gleichrichterdioden (Brücke):

Sollte selbsterklärend sein, aber sie sind nicht notwendig; Eine Diode reicht aus (in einer anderen Konfiguration mit dem geringsten Wirkungsgrad, aber der höchsten Sicherheit). Damit die 33-nF-Kondensatorreaktanz funktioniert, muss der Strom in eine Richtung und derselbe in die entgegengesetzte Richtung fließen.

Wie viele Dioden verwendet werden und in welcher Konfiguration sie verwendet werden, hängt von vielen Faktoren ab. Wenn Sie eine Diode verwenden und die Neutral- und Phasendrähte korrekt verbinden, ist der GND-Stromkreis AC-neutral, wodurch der Ausgang viel sicherer wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass nur bei positiven Sinushälften Strom an den 47-µF-Kondensator geliefert wird.

Bei Verwendung der Diodenbrücke ist der negative Ausgang zur Hälfte neutral, die andere Hälfte ist Netzphase! Natürlich hängt das alles davon ab, wo auf der Welt Sie sind (buchstäblich). Länder oder Regionen, die sehr trocken sind, verwenden aufgrund der geringen Leitfähigkeit ihrer Erdung in der Regel Phase-zu-Phase-Verbindungen ohne Neutralleiter. Sie können auch zwei Spannungsausgänge mit nur zwei Gleichrichterdioden, Zenerdioden und 47-µF-Kondensatoren erhalten.

Zenerdiode:

Ihr Zweck ist es, eine (etwas) konstante Spannung am Ausgang des Netzteils aufrechtzuerhalten. Jeglicher überschüssige Strom, der nicht von der Last verbraucht wird, fließt durch diese zur Erde und wird somit in Wärme umgewandelt.

47 µF Kondensator:

Es filtert den vom 33-nF-Kondensator gelieferten sinusförmigen Strom heraus.

Um eine höhere Effizienz zu erzielen, müssen Sie den 47-Ohm-Widerstand auf den maximalen Strom absenken, den der Zener zulässt, wenn er genau an der Wechselstromspitze angeschlossen ist, und den 33-nF-Kondensator so einstellen, dass er dem von Ihnen benötigten Laststrom am nächsten kommt.

Tu es nicht. Diese Schaltungen sind wirklich sehr gefährlich.

Sie haben einen ziemlich schlechten Wirkungsgrad, aber das spielt keine Rolle, da eine Schaltung wie diese nur mit einem konstanten Strom betrieben werden kann, der sehr niedrig ist. Sie verlieren die Leistung in allen Widerständen, den Dioden und einigen in den Kondensatoren aufgrund von ESR Leistung verloren . Der ESR einer Keramikkappe kann bei 50 Hz ziemlich hoch sein.

Sie können diese Stromkreise nicht öffnen, zumindest nicht ohne ein sperriges Zenerdiode , den Lastwiderstand entfernen und den Strom durch die Zenerdiode prüfen. Sie müssen grundsätzlich mit einem konstanten Laststrom betrieben werden, der normalerweise im Bereich von 10-15 mA liegt, um eine angemessene Regelung zu erhalten. Wenn Ihr Strom steigt, steigt Ihre Welligkeit stark an und der Spannungsausgang beginnt stark durchzusacken.

Zu Ihren Fragen:

Wie senkt der Kondensator überhaupt die Spannung? Verschwendet es Strom als Wärme?

Grundsätzlich haben Sie eine Tiefpassfilter- Set so gebaut, dass bei einem Lastwiderstand im Betriebsbereich die Dämpfung bei 50 Hz ausreicht. Wenn der Lastwiderstand abfällt (Strom steigt), steigt diese Dämpfung bis zu dem Punkt, an dem Ihre geregelte Spannung abfällt.

Die Schaltung macht viel mehr Sinn, wenn Sie im Frequenzbereich statt in der Zeit suchen.

Wenn der Zener weg wäre und der Ausgang um 50 V schweben würde, würde er sich einem Wirkungsgrad von 100% annähern?

Nein, Sie verlieren an Leistung in allen Dioden und allen Widerständen. Wenn Sie die Zenerdiode entfernen, verlieren Sie im Grunde die gesamte Regelung. Die Spannung und der Pegel der Welligkeit würden stark mit dem Lastwiderstand variieren.

Der Zener gibt Ihnen den 3,3-V-Ausgang. Der Kondensator "senkt" die Spannung nicht, sondern nimmt nur eine Ladung auf, wenn der gleichgerichtete Wechselstrom die Zenerspannung überschreitet, und speist die Last in Zeiten, in denen der gleichgerichtete Wechselstrom geringer ist. Da Ihre Last nur 10 K beträgt und die Obergrenze 47 uF beträgt, bedeutet die RC-Konstante von 0,47 Sekunden, dass sich der Kondensator bei ausgeschaltetem Zener nicht stark entlädt.

Die größte Energieverschwendung wäre der Vorwiderstand, da dieser den gesamten Laststrom (und den Zenerstrom) aufnimmt und praktisch die gesamte Netzspannung abfällt.

Wenn Sie auf den Zener verzichtet und versucht haben, diesen als ungeregelte Versorgung zu verwenden, hängt der Wirkungsgrad von der Last ab. Mehr Strom bedeutet mehr Verlustleistung in diesem Vorwiderstand, bedeutet weniger Wirkungsgrad. Sie könnten einen Wirkungsgrad von nahezu 100% erzielen, wenn Sie nur unglaublich kleine Strommengen aufnehmen würden. In diesem Fall würde die Spannung auch das 1,4-fache der effektiven Netzspannung erreichen.

Hier ist die Simulation, die ich gerade betrachte. Achten Sie nicht zu sehr auf die momentanen Messwerte auf der AC-Seite, da diese natürlich schwanken.

Wenn ich die 10k-Last auf eine 1k-Last einstelle, kann ich nur 782mV ausgeben.

Nun, es ist eigentlich ganz einfach:

Das ist Ihre Kondensatorimpedanz. Sie ändert sich mit 60 oder 50 Hz.

Ihr maximaler Strom wird immer sein:

$V_{in}$