Kapasitif güç kaynağı ne kadar verimli?

Böyle bir şey

Falstad sim sürümü

(Yorgunum, hatalar yapıyorum, bu yüzden lütfen ikinci kez afedersiniz.)

Şimdi bunlar izolasyon eksikliğinden dolayı PSU'lar çok güvenli değil. Ancak kapalı ünitelerde SMPS veya transformatörsüz bir mikrodenetleyici için besleme gerilimini almanın ucuz bir yolu olabilirler.

Zener ve dirençler nedeniyle% 100 verimli değillerdir. Fakat birkaç sorum var.

1. Yine de kapasitör gerilimi nasıl düşürür? Isı olarak gücü boşa harcıyor mu?
2. Zener gitmiş ve çıktının 50V civarında yüzmesine izin verilseydi,% 100 verime yaklaşır mıydı?

Bu devre "DC Güç Kaynağına Dönüştürücüsüz AC" veya "CR damlalık devresi" olarak adlandırılan devre kategorilerinden biridir. Diğer örnekler için, bkz. "Massmind: Transformatörsüz AC - DC Güç Kaynağı " veya "Massmind: Transformatörsüz kapasitif taşma gücü dönüşümü" veya "ST AN1476: Ev aletleri için düşük maliyetli güç kaynağı" .

Böyle bir cihazın 0'a yakın bir güç faktörü vardır ve bu, EN61000-3-2 gibi AB-zorunlu güç faktörü yasalarını karşılayıp karşılamadığı konusunda sorgulanabilir hale getirir. Daha da kötüsü, böyle bir cihaz bir "kare dalga" ya da "değiştirilmiş sinüs dalgası" UPS'e bağlandığında, elektrik devresine takılandan çok daha yüksek güç harcamasına (daha kötü verimlilik) sahiptir - eğer bu devreyi yapan kişi yapmazsa bu ek gücü kullanacak kadar büyük güvenlik dirençleri ve zenerleri seçin, aşırı ısınabilir ve arıza yapabilirler. Bu iki dezavantaj, bazı mühendislerin "CR damlalık" tekniğini " tehlikeli ve tehlikeli " olarak kabul etmelerinin nedeni olabilir .

Kondansatör gerilimi nasıl düşürür?

Bunu açıklamanın birkaç yolu var. Tek yön (belki de en sezgisel değil):

Kapasitörün bir ayağı (bir güvenlik rezistansı ile) 100 VAC'de salınan “sıcak” ana şebekeye bağlanır. Kapasitörün diğer ayağı, daima birkaç volt toprak içinde olan bir şeye bağlanır. Giriş DC olsaydı, kapasitör içinden geçen herhangi bir akımı tamamen engellerdi. Ancak giriş AC olduğundan, kapasitör içinden küçük bir miktarda akım akışı sağlar (kapasitansıyla orantılı). Ne zaman bir bileşen arasında bir voltaj ve ne zaman bileşen boyunca akan bir voltaj varsa, biz elektronik insanları Ohm yasasını kullanarak etkin empedansı hesaplamaya direnemeyiz:

(Normalde R = V / I deriz, ancak kapasitörlerin ve indüktörlerin empedansından bahsederken Z'yi kullanmayı severiz. Bu bir gelenek, tamam mı?)

Bu kondansatörü "eşdeğer rezistör" ile değiştirirseniz, bu kondansatörün mutlak empedansına Z eşit olan gerçek bir empedansa R sahip olursanız, "aynı" (RMS AC) akım o dirençten orijinal kapasitörünüzden ve güç kaynağından akar. Aynı şekilde çalışır (böyle bir "direnç damlalığı" güç kaynağının bir örneği için bkz. ST AN1476).

Kapasitör ısı olarak güç harcıyor mu?

İdeal bir kondansatör asla ısıyı hiçbir zaman dönüştürmez - ideal bir kondansatöre akan tüm elektrik enerjisi sonunda kondansatörden elektrik enerjisi olarak akar.

Gerçek bir kondansatör, az miktarda parazitik seri direnç (ESR) ve parazitik paralel dirence sahiptir, bu nedenle giriş gücünün küçük bir miktarı ısıya dönüştürülür. Ancak, herhangi bir gerçek kapasitör “eşdeğer direnç” e göre çok daha az güç tüketir (çok daha verimli). Gerçek bir kondansatör, güvenlik dirençlerinden veya gerçek bir diyot köprüsünden çok daha az güç harcar.

Eğer zener gitseydi ve çıktının 50V civarında yüzmesine izin verilirse ...

Yükünüzün direncini azaltabilir veya düşürme kapağını seçtiğiniz farklı kapasitansa sahip bir kapakla değiştirebilirseniz, çıktısını seçtiğiniz gerilime yakın bir yerde yüzmeye zorlayabilirsiniz. Ama kaçınılmaz olarak biraz dalgalanma yaşayacaksın.

Zener gitmiş ve çıktının yüzmesine izin verilseydi ...% 100 verime yaklaşır mıydı?

İyi göz - zener, bu devrede en fazla enerjiyi boşa harcayan kısımdır. Buradaki doğrusal bir regülatör, bu devrenin verimliliğini önemli ölçüde artıracaktır.

İdeal kondansatörler (ki bu iyi bir varsayım) ve ideal diyotlar (bu kadar iyi bir varsayım değil) varsayarsanız, bu bileşenlerde güç kaybı olmaz. Normal işletimde, güvenlik koruma dirençlerinde nispeten az güç kaybedilir. Gücün gidecek başka yeri olmadığından, bu tür idealize edilmiş bir devre% 100 verimlilik sağlar. Ama aynı zamanda bir dalgalanma olurdu. Bu dalgalanmayı ortadan kaldırmak ve% 75'in üzerinde net bir verim elde etmek için bu zenersiz devreyi doğrusal bir voltaj regülatörü ile takip edebilirsiniz.

Bir voltaj regülatörünün her zaman verimi$V_{out}/V_{in}$ " olan" kanun " yalnızca DC den DC regülatörlerine uygulanır. Bu yasa bu devre için geçerli değildir, çünkü bu devre AC girişine sahiptir ve bu nedenle bu devre "yasa" nın öngördüğünden çok daha iyi bir verime sahip olabilir.

EDIT: Dave Tweed, zenerin doğrusal bir regülatör ile değiştirilmesinin bu genel devreyi daha az verimli hale getirdiğini gösteriyor.

Bazı güçlerin kasten boşa harcanmasının sistemin daha verimli çalışmasını sağladığını sezgisel buluyorum. (Küçük bir direnç eklemenin daha iyi performans göstermesini sağlayan başka bir devre: Doğrusal bir güç kaynağı transformatöründeki akım dalgalanması ).

Acaba bu 2-transistörlü anahtarlama düzenleyiciden daha az karmaşık olan bu devrenin verimliliğini arttırmanın başka bir yolu var mı?

Köprü doğrultucusunun AC ayaklarına başka bir kapasitör ekleyerek devreyi daha fazla değiştirmenin, orijinal zener devresinden daha verimli bir şeyle sonuçlanabileceğini merak ediyorum. (Başka bir deyişle, bu Falstad simülasyonu gibi kapasitif bir bölücü devre ?)

Bu güç kaynağı, AC şebekesinden sabit bir güç tüketerek yalnızca tasarlandığı gibi çalışır (tartışmalı bir sabit voltaj sağlar). Bir voltaj kaynağının aksine, bir AC akım kaynağıdır.

Bu nedenle DC'ye dönüştürmek için bir diyot köprüsüne, bir enerji akümülatörüne (kapasitör) ve bir voltaj regülatörüne ihtiyacınız vardır.

Bununla birlikte, AC şebekesinden sabit bir enerji çekildiğinden, yük tarafından tüketilmeyen herhangi bir enerjinin atılması gerekir. Zener diyotun kullanılmasının nedeni budur; Herhangi bir fazla enerji, Zener diyodunda ısı şeklinde yayılır. Doğrusal bir regülatör olsaydı, giriş voltajı maksimum V üzerinde tırmanırdım _içinde o kadar yanıklar noktasına. Ve AC şebekesinden çekilen güç miktarı, AC voltajına ve frekansına bağlı olduğundan (reaktans nedeniyle), Zener diyotu, AC şebeke voltajı ve / veya frekansının varyansında sabit bir voltajın korunmasına yardımcı olur.

verimlilik:

Güç faktörü, güç kaynağının verimliliği değildir ve V _çıkışı / V _{girişi de değildir} . Verimlilik P _çıkışı / P _girişi = (V _çıkışı * I _çıkışı ) (V _girişi * I _girişi ). Doğrusal güç kaynağı olarak, bir _takım aynı olduğu düşünülebilir gibi _içinde (ne atın eğer _q ) ve bu nedenle verimi V olarak basitleştirilebilir _üzerinden / V _bölgesi . Bununla birlikte, kapasitif bir güç kaynağında, P _in sabittir, bu yüzden verimliliği tamamen yükün gerçekte ne kadar kullanılabilir gücüne bağlı olacaktır.

Güç faktörü (PF):

Kapasitif güç kaynaklarını tam anlamıyla binlerce birimde kullandım, ancak farklı değerlere sahip (470 nF, 220 VAC). Güç kaynağımız yaklaşık 0,9 watt, ancak yaklaşık 7,2 VA (Volt-Amper) tüketir. Çok kötü bir güç faktörü var ama çok iyi bir şekilde. Bir kapasitör olarak hareket ettiğinden, indüktör olarak davranan ve ana şebeke kötü PF'nin ana kaynağı olan motorların kötü PF'sinin düzeltilmesine yardımcı olur (1'e yaklaşır). Her durumda, o kadar düşük bir akımdır ki, zaten bir fark yaratmaz.

Bileşenlerle ilgili:

47 ohm direnç:

Amacı devre ilk takılı olduğunda akımı kondansatör ve Zener diyotu ile sınırlamaktır, çünkü AC ana şebekesi herhangi bir açıda (voltaj) olabilir ve kondansatörün şarjı kısadır, bu nedenle kısa devre olarak işlev görür.

2.2 Mohm direnci:

Amacı, 33 nF kapasitörünü boşaltmaktır, çünkü şebekeyi ayırdığınızda kondansatör voltajı herhangi bir değerde olabilir. Aksi halde, taburcu etmek için bir yolu yoktur, ancak birinin parmakları (bana birkaç kez oldu).

33 nF kapasitör:

Bazılarının doğru bir şekilde ifade ettiği gibi, 50 veya 60 Hz şebekedeki reaktansı gerçeğinden yararlanarak bir voltaj bölücü rezistörü değiştirirler. Eşdeğer bir rezistansın ısı israfını alamazsınız, bunun yerine akıma karşı voltaj açısını değiştirin.

Doğrultucu Diyotlar (Köprü):

Açıklayıcı olmalı, ancak gerekli değildir; bir diyot yeterli olacaktır (en az verimli fakat daha güvenli bir konfigürasyonda). Mesele şu ki, 33 nF kapasitör reaktansının çalışması için, bir yönde akan akıma ihtiyacınız var, ardından aynı yönde akıntı tam ters yönde akıyor.

Kaç tane diyot kullanılır ve hangi konfigürasyonda birçok şeye bağlıdır. Bir diyot kullandığınızda ve nötr ve faz kablolarını doğru bağladığınızda, GND'yi AC nötr olacak şekilde devre dışı bırakacaksınız, bu da çıkışı çok daha güvenli hale getirecektir, ancak yalnızca pozitif yarı sinüs dalgalarında 47 FF kapasitöre akım iletilmesi dezavantajına sahiptir.

Diyot köprüsünün kullanılması, negatif çıkışın nötr olduğu zamanın yarısının, diğer yarısının şebeke fazı olduğu anlamına gelir! Tabii ki, tüm bunlar dünyanın neresinde olduğunuza (kelimenin tam anlamıyla) bağlıdır. Çok kuru olan ülkeler veya bölgeler, topraklarının düşük iletkenliği nedeniyle, nötrsüz faz-faz bağlantılarını kullanma eğilimindedir. Sadece iki doğrultucu diyot, zener diyot ve 47 µF kapasitör kullanarak iki voltaj çıkışı elde edebilirsiniz.

Zener Diyot:

Amacı, güç kaynağının çıkışında (biraz) sabit bir voltaj sağlamaktır. Yük tarafından tüketilmeyen herhangi bir aşırı akım, içinden toprağa akacak ve böylece ısıya dönüşecektir.

47 µF kapasitör:

33 nF kapasitör tarafından sağlanan sinüzoidal akımı filtreler.

Daha yüksek verim için, 47 ohm rezistörü, AC zirvesine tam olarak takıldığında zenerin izin verdiği maksimum akıma düşürmeniz ve ihtiyacınız olan tam yük akımına en yakın 33 nF kondansatörü ayarlamanız gerekir.

Yapma; Bu devreler gerçekten oldukça tehlikelidir.

Oldukça kötü bir verime sahipler, ancak böyle bir devrenin ancak çok düşük bir sabit akımla çalışabilmesi gerçekten önemli değil. ESR nedeniyle tüm dirençlerde, diyotlarda ve bazı kapasitörlerde güç kaybedersiniz . Bir seramik kapağın ESR'si 50 Hz'de oldukça yüksek olabilir.

En azından hacimli bir Zener diyodu olmadan bu devreleri devre açamazsınız , yük direncini kaldırın ve akıma Zener diyodundan bakın. Temelde, onları makul bir düzenleme için genellikle 10-15 mA aralığında olan sabit bir yük akımında çalıştırmanız gerekir. Akımınız arttıkça dalgalanma çok artacak ve voltaj çıkışı ağır şekilde düşmeye başlayacaktır.

Sorularınıza gelince:

Yine de kapasitör gerilimi nasıl düşürür? Isı olarak gücü boşa harcıyor mu?

Temel olarak, düşük frekanslı bir filtre seti kurdunuz, öyle ki operasyonel aralıktaki yük direnciyle 50 Hz'deki zayıflamanın peşindesiniz. Yük direnci düştükçe (akım artarsa) bu zayıflama ayarlanan voltajın düştüğü noktaya yükselir.

Zaman yerine frekans alanına bakarsanız devre çok daha anlamlı olacaktır.

Zener gitmiş ve çıktının 50V civarında yüzmesine izin verilseydi,% 100 verime yaklaşır mıydı?

Hayır, tüm diyotlarda ve tüm dirençlerde güç kaybedersiniz. Zener diyotunu çıkarırsanız, temelde tüm düzenlemeleri kaybedersiniz; gerilim ve dalgalanma seviyesi yük direnci ile birlikte büyük ölçüde değişecektir.

Zener, size 3.3V'luk çıktı verir. Kapasitör gerilimi 'azaltmaz', düzeltilmiş AC zener gerilimini aştığında sadece şarjı emer ve rektifiye AC'nin bundan daha az olduğu zamanlarda yükü besler. Yükünüz sadece 10K ve kapak 47uF olduğundan, 0.47 saniyelik RC sabiti, zener kapalıyken kondansatörün fazla boşalmaması anlamına gelir;

Ana güç yıkayıcı, tüm yük (ve zener) akımını aldığı ve pratik olarak tüm hat voltajını düşürdüğü için seri düşürme direnci olacaktır.

Zener'i terk ettiyseniz ve bunu düzensiz bir besleme olarak kullanmaya çalıştıysanız, verim yüke bağlıdır. Daha fazla akım, bu seri dirençte daha fazla dağılım anlamına gelir, daha az verimlilik demektir. Sadece inanılmaz miktarda miktarda akım çekiyorsanız,% 100 verim elde edebilirsiniz, bu durumda voltaj aynı zamanda hat RMS voltajının yaklaşık 1,4 katına çıkar.

İşte bakıyorum simülasyon. AC tarafındaki anlık okumalara çok fazla dikkat etmeyin, tabii ki dalgalanıyorlar.

10k yükünü 1k yüke ayarlarsam, yalnızca 782mV elde edebiliyorum.

Aslında çok basit:

Bu senin kapasitör empedansın. 60 veya 50 Hz ile değişir.

Maksimum akımınız her zaman olacaktır:

$V_{in}$