Seberapa efisien catu daya kapasitif?

Sesuatu seperti ini

Versi sim Falstad itu

(Aku lelah, aku terus membuat kesalahan, jadi tolong permisi untuk kedua kalinya.)

Sekarang ini bukan PSU yang sangat aman, karena kurangnya isolasi. Tetapi dalam unit tertutup, mereka bisa menjadi cara yang murah untuk mendapatkan tegangan suplai untuk mikrokontroler tanpa SMPS atau transformator.

Mereka tidak 100% efisien karena zener dan resistor. Tapi saya punya beberapa pertanyaan.

1. Bagaimana kapasitor menurunkan tegangan? Apakah itu membuang tenaga sebagai panas?
2. Jika zener hilang dan output dibiarkan mengambang sekitar 50V, apakah akan mendekati efisiensi 100%?

Sirkuit ini adalah salah satu kategori sirkuit yang disebut "Transformerless AC to DC Powersupply" atau "CR dropper circuit". Untuk contoh lain, lihat "Massmind: AC Transformerless ke DC Powersupply" atau "Massmind: Konversi daya berdarah transformator-kurang kapasitif" atau "ST AN1476: Catu daya berbiaya rendah untuk peralatan rumah tangga" .

Perangkat semacam itu memiliki faktor daya mendekati 0, membuatnya dipertanyakan apakah memenuhi undang-undang faktor daya yang diamanatkan UE, seperti EN61000-3-2. Lebih buruk lagi, ketika perangkat seperti itu dicolokkan ke dalam gelombang "gelombang persegi" atau "gelombang sinus yang dimodifikasi", UPS memiliki disipasi daya yang jauh lebih tinggi (efisiensi yang lebih buruk) daripada ketika dicolokkan ke daya listrik - jika orang yang membangun sirkuit ini tidak pilih resistor keselamatan dan zener yang cukup besar untuk menangani daya tambahan ini, mereka mungkin terlalu panas dan gagal. Dua kelemahan ini mungkin mengapa beberapa insinyur menganggap teknik "CR dropper" " cerdik dan berbahaya ".

Bagaimana kapasitor menurunkan tegangan?

Ada beberapa cara untuk menjelaskan hal ini. Satu cara (mungkin bukan yang paling intuitif):

Satu kaki kapasitor terpasang (melalui resistor keselamatan) ke listrik "panas" yang berosilasi pada lebih dari 100 VAC. Kaki lain dari kapasitor terhubung ke sesuatu yang selalu dalam beberapa volt tanah. Jika inputnya DC, maka kapasitor akan benar-benar memblokir arus yang mengalir melaluinya. Tetapi karena inputnya adalah AC, kapasitor memungkinkan sejumlah kecil arus yang mengalir melewatinya (sebanding dengan kapasitansinya). Setiap kali kami memiliki tegangan melintasi komponen dan arus yang mengalir melalui komponen, kami orang-orang elektronik tidak dapat menahan diri untuk menghitung impedansi efektif menggunakan hukum Ohm:

(Biasanya kita mengatakan R = V / I, tetapi kita suka menggunakan Z ketika berbicara tentang impedansi kapasitor dan induktor. Sudah tradisi, oke?)

Jika Anda mengganti kapasitor itu dengan "resistor setara" dengan impedansi nyata R sama dengan impedansi absolut Z kapasitor itu, arus "sama" (RMS AC) akan mengalir melalui resistor itu melalui kapasitor asli Anda, dan catu daya akan bekerja hampir sama (lihat ST AN1476 untuk contoh catu daya "resistor dropper").

Apakah kapasitor membuang tenaga sebagai panas?

Kapasitor ideal tidak pernah mengubah daya menjadi panas - semua energi listrik yang mengalir ke kapasitor ideal akhirnya mengalir keluar dari kapasitor sebagai energi listrik.

Kapasitor nyata memiliki sejumlah kecil resistansi seri parasit (ESR) dan resistensi paralel parasit, sehingga sejumlah kecil daya input dikonversi menjadi panas. Tetapi setiap kapasitor nyata menghilangkan daya jauh lebih sedikit (jauh lebih efisien) dari yang akan dihamburkan oleh "resistor setara". Kapasitor nyata menghilangkan daya jauh lebih sedikit daripada resistor keselamatan atau jembatan dioda nyata.

Jika zener hilang dan output dibiarkan mengambang sekitar 50V ...

Jika Anda dapat men-tweak hambatan beban Anda, atau menukar tutup yang jatuh dengan kapasitansi berbeda pilihan Anda, Anda dapat memaksa output melayang mendekati tegangan apa pun yang Anda pilih. Tetapi Anda pasti akan memiliki riak.

Jika zener hilang dan output dibiarkan mengapung ... apakah akan mendekati efisiensi 100%?

Mata yang bagus - zener adalah bagian yang membuang energi paling banyak di sirkuit ini. Regulator linier di sini akan secara signifikan meningkatkan efisiensi rangkaian ini.

Jika Anda menganggap kapasitor ideal (yang merupakan asumsi yang baik) dan dioda ideal (bukan asumsi yang baik), tidak ada daya yang hilang dalam komponen-komponen itu. Dalam operasi normal, relatif sedikit daya yang hilang di resistor perlindungan keselamatan. Karena tidak ada tempat lain untuk kekuatan untuk pergi, sirkuit ideal seperti itu akan memberi Anda efisiensi 100%. Tetapi itu juga akan memiliki beberapa riak. Anda mungkin dapat mengikuti rangkaian no-zener ini dengan regulator tegangan linier untuk menghilangkan riak itu dan masih mendapatkan efisiensi bersih lebih dari 75%.

$V_{out}/V_{in}$

EDIT: Dave Tweed menunjukkan bahwa hanya mengganti zener dengan regulator linier sebenarnya membuat rangkaian keseluruhan ini kurang efisien.

Saya menemukan itu kontra-intuitif yang sengaja membuang-buang kekuatan membuat sistem bekerja lebih efisien. (Sirkuit lain di mana menambahkan sedikit perlawanan membuatnya bekerja lebih baik: Arus riak dalam transformator catu daya linier ).

Saya bertanya-tanya apakah ada cara lain untuk meningkatkan efisiensi rangkaian ini, yang kurang kompleks daripada regulator switching 2-transistor ?

Saya bertanya-tanya apakah lebih lanjut memodifikasi rangkaian dengan menambahkan kapasitor lain di kaki AC penyearah jembatan mungkin menghasilkan sesuatu yang lebih efisien daripada sirkuit zener asli? (Dengan kata lain, rangkaian pembagi kapasitif seperti simulasi Falstad ini ?)

Catu daya ini hanya berfungsi seperti yang dirancang (memberikan tegangan yang konstan) dengan mengonsumsi daya yang konstan dari sumber listrik AC. Ini adalah sumber arus AC, berlawanan dengan sumber tegangan.

Oleh karena itu Anda memerlukan jembatan dioda, akumulator energi (kapasitor) dan regulator tegangan untuk mengubahnya menjadi DC.

Namun, karena energi konstan diambil dari listrik AC, setiap energi yang tidak dikonsumsi oleh beban harus dihilangkan. Itulah sebabnya dioda Zener digunakan; setiap energi berlebih dihamburkan dalam bentuk panas di dioda Zener. Jika itu adalah regulator linear, tegangan input akan naik di atas maksimum V-nya _di ke titik di mana ia membakar. Dan karena jumlah daya yang diambil dari hantaran listrik AC tergantung pada tegangan dan frekuensi AC (karena reaktansinya), dioda Zener juga membantu mempertahankan tegangan konstan dalam ragam tegangan dan / atau frekuensi listrik AC.

Efisiensi:

Faktor daya tidak efisiensi power supply dan juga bukan V _keluar / V _di . Efisiensi adalah P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). Dalam catu daya linier, I _out dapat dianggap sama dengan I _in (jika Anda membuang I _q ) dan karenanya efisiensi dapat disederhanakan sebagai V _out / V _in . Namun, _dalam catu daya kapasitif, P _in adalah konstan, sehingga efisiensinya benar-benar akan bergantung pada seberapa banyak daya yang tersedia yang sebenarnya dihasilkan oleh beban.

Faktor daya (PF):

Saya telah menggunakan catu daya kapasitif dalam ribuan unit, tetapi dengan nilai yang berbeda (470 nF, 220 VAC). Catu daya kami mengkonsumsi sekitar 0,9 watt, tetapi sekitar 7,2 VA (Volt-Ampere). Ini memiliki faktor kekuatan yang sangat buruk , tetapi dengan cara yang sangat baik. Karena berperilaku sebagai kapasitor, itu membantu memperbaiki (membawa lebih dekat ke 1) PF buruk motor, yang berperilaku sebagai induktor dan merupakan sumber utama PF induk buruk. Bagaimanapun, itu adalah arus rendah sehingga tidak membuat banyak perbedaan pula.

Mengenai komponen:

47 ohm resistor:

Tujuannya adalah untuk membatasi arus melalui kapasitor dan dioda Zener ketika rangkaian pertama kali dicolokkan, karena listrik AC dapat pada setiap sudut (tegangan) dan kapasitor tidak memiliki muatan sehingga bertindak sebagai arus pendek.

2.2 Mohm resistor:

Tujuannya adalah untuk melepaskan kapasitor 33 nF, karena voltase kapasitor dapat berapa pun nilainya ketika Anda melepaskan kabel listrik. jika tidak, itu tidak akan memiliki jalan untuk melepaskan kecuali jari seseorang (itu telah terjadi pada saya beberapa kali).

33 nF kapasitor:

Seperti yang beberapa orang nyatakan dengan benar, mereka mengganti resistor pembagi tegangan dengan mengeksploitasi fakta reaktansinya pada kabel 50 atau 60 Hz. Anda tidak mendapatkan limbah panas dari resistor yang setara, tetapi sebaliknya mengubah sudut arus versus tegangan.

Penyearah Dioda (Jembatan):

Harus jelas, tetapi tidak perlu; satu dioda akan cukup (dalam konfigurasi yang paling tidak efisien tetapi lebih aman). Masalahnya adalah agar reaktansi kapasitor 33 nF bekerja, Anda perlu arus yang mengalir dalam satu arah dan kemudian arus yang sama persis mengalir di arah yang berlawanan.

Berapa banyak dioda yang digunakan dan konfigurasi yang bergantung pada banyak hal. Saat menggunakan satu dioda dan menghubungkan dengan benar kabel netral dan fase, Anda rangkaian GND akan menjadi netral AC, membuat output jauh lebih aman, tetapi memiliki kelemahan bahwa hanya pada gelombang positif setengah-gelombang saat ini akan dikirim ke kapasitor 47 μF.

Menggunakan jembatan dioda berarti separuh waktu output negatifnya netral, separuh lainnya adalah fase listrik! Tentu saja, ini semua tergantung pada di mana di dunia Anda berada (secara harfiah). Negara atau wilayah yang sangat kering cenderung menggunakan koneksi fase ke fase tanpa netral karena konduktivitas rendah dari tanah bumi mereka. Anda juga bisa mendapatkan dua output tegangan hanya dengan menggunakan dua dioda penyearah, dioda zener dan kapasitor 47 μF.

Zener Diode:

Tujuannya adalah untuk mempertahankan (agak) tegangan konstan pada keluaran catu daya. Setiap kelebihan arus yang tidak dikonsumsi oleh beban akan mengalir melaluinya ke tanah, dan karenanya diubah menjadi panas.

47 μF kapasitor:

Ini menyaring arus sinusoidal yang disampaikan oleh kapasitor 33 nF.

Untuk efisiensi yang lebih tinggi, Anda perlu mengurangi resistor 47 ohm ke arus maksimum yang akan diizinkan zener ketika dicolokkan tepat di puncak AC dan setel kapasitor 33 nF yang paling dekat dengan arus beban tepat yang Anda butuhkan.

Jangan lakukan itu; sirkuit ini benar-benar sangat berbahaya.

Mereka memiliki efisiensi yang sangat buruk, tetapi tidak terlalu penting karena rangkaian seperti ini hanya dapat beroperasi dengan arus stabil yang sangat rendah. Anda kehilangan daya di semua resistor, dioda dan beberapa di kapasitor karena ESR . ESR dari tutup keramik bisa sangat tinggi pada 50 Hz.

Anda tidak dapat membuka rangkaian sirkuit ini, setidaknya bukan tanpa dioda Zener yang besar , lepaskan resistor beban dan lihat arus melalui dioda Zener. Anda pada dasarnya harus mengoperasikannya pada arus beban konstan, sesuatu dalam kisaran 10-15 mA biasanya untuk mendapatkan regulasi yang masuk akal. Saat arus Anda naik, riak Anda akan meningkat banyak dan output tegangan akan mulai melorot.

Untuk pertanyaan Anda:

Bagaimana kapasitor menurunkan tegangan? Apakah itu membuang tenaga sebagai panas?

Pada dasarnya, Anda telah membangun satu set filter low-pass sedemikian rupa sehingga dengan ketahanan beban dalam rentang operasional Anda setelah pelemahannya pada 50 Hz adalah apa pun yang diperlukan. Saat resistensi beban turun (arus meningkat), atenuasi ini meningkat ke titik di mana tegangan yang diatur turun.

Sirkuit akan lebih masuk akal jika Anda melihat dalam domain frekuensi bukan waktu.

Jika zener hilang dan output dibiarkan mengambang sekitar 50V, apakah akan mendekati efisiensi 100%?

Tidak, Anda kehilangan daya di semua dioda dan semua resistor. Jika Anda menghapus dioda Zener Anda pada dasarnya kehilangan semua peraturan; tegangan dan tingkat riak akan sangat bervariasi dengan tahanan beban.

Zener adalah apa yang memberi Anda output 3.3V. Kapasitor tidak 'mengalah' tegangan, itu hanya menyerap muatan setiap kali AC yang diperbaiki melebihi tegangan zener, dan memberi makan beban pada saat-saat ketika AC yang diperbaiki kurang dari itu. Karena beban Anda hanya 10K dan tutupnya 47uF, konstanta RC 0,47 detik berarti bahwa kapasitor tidak mengeluarkan banyak saat zener mati, artinya tegangan beban tidak turun secara signifikan saat beroperasi pada daya kapasitor.

Pembuang daya utama akan menjadi resistor menjatuhkan seri, karena mengambil semua beban (dan zener) saat ini dan secara praktis menjatuhkan semua tegangan saluran.

Jika Anda mematikan zener dan mencoba menggunakannya sebagai pasokan yang tidak diatur, efisiensinya tergantung pada beban. Semakin banyak arus berarti lebih banyak disipasi dalam resistor seri itu, berarti lebih sedikit efisiensi. Anda bisa mendekati efisiensi 100% hanya jika Anda hanya menggambar jumlah arus yang sangat kecil, dalam hal tegangan juga akan naik hingga sekitar 1,4 kali tegangan RMS garis.

Berikut ini simulasi yang saya lihat. Jangan terlalu memperhatikan bacaan instan di sisi AC karena mereka tentu saja berfluktuasi.

Jika saya menyesuaikan beban 10k ke beban 1k, saya hanya bisa mengeluarkan 782mV.

Sebenarnya cukup sederhana:

Itu adalah impedansi kapasitor Anda. Itu berubah dengan 60 atau 50 Hz.

Arus maksimum Anda akan selalu:

$V_{in}$