Qual a eficiência de uma fonte de alimentação capacitiva?

Algo assim

Falstad versão sim

(Estou cansado, continuo cometendo erros, então, desculpe-me pela segunda vez.)

Agora, esses PSUs não são muito seguros, devido à falta de isolamento. Porém, em unidades seladas, elas podem ser uma maneira barata de obter a tensão de alimentação de um microcontrolador sem SMPS ou transformador.

Eles não são 100% eficientes devido ao zener e aos resistores. Mas eu tenho várias perguntas.

1. Como o capacitor reduz a tensão, afinal? Desperdiça energia como calor?
2. Se o zener se fosse e a saída flutuasse em torno de 50V, seria 100% de eficiência?

Este circuito faz parte de uma categoria de circuitos denominada "Fonte de alimentação CA sem transformador para CC" ou "circuito conta-gotas CR". Para outros exemplos, consulte "Massmind: fonte de alimentação CA sem transformador para CC" ou "Massmind: conversão de potência de sangria capacitiva sem transformador" ou "ST AN1476: fonte de alimentação de baixo custo para eletrodomésticos" .

Esse dispositivo possui um fator de potência próximo de 0, tornando questionável se atende às leis de fator de potência exigidas pela UE, como a EN61000-3-2. Pior ainda, quando esse dispositivo é conectado a um no-break de "onda quadrada" ou "onda senoidal modificada", ele tem uma dissipação de energia muito maior (pior eficiência) do que quando conectado à energia da rede elétrica - se a pessoa que constrói este circuito não Se escolher resistores de segurança e zener grandes o suficiente para lidar com essa energia adicional, eles podem superaquecer e falhar. Essas duas desvantagens podem ser o motivo pelo qual alguns engenheiros consideram a técnica "conta-gotas de CR" " desonesta e perigosa ".

Como o capacitor diminui a tensão?

Existem várias maneiras de explicar isso. Uma maneira (talvez não a mais intuitiva):

Uma perna do capacitor é conectada (através de um resistor de segurança) à rede elétrica "quente", que oscila a mais de 100 VCA. A outra perna do capacitor está conectada a algo que está sempre a poucos volts de terra. Se a entrada fosse CC, o capacitor impediria completamente qualquer corrente de fluir através dele. Mas como a entrada é CA, o capacitor permite que uma pequena quantidade de corrente flua através dele (proporcional à sua capacitância). Sempre que temos uma tensão através de um componente e uma corrente fluindo através dele, nós, os eletrônicos, não resistimos ao cálculo da impedância efetiva usando a lei de Ohm:

(Normalmente dizemos R = V / I, mas gostamos de usar Z quando falamos sobre a impedância de capacitores e indutores. É tradição, está bem?)

Se você substituir esse capacitor por um "resistor equivalente" por uma impedância real R igual à impedância absoluta Z desse capacitor, "a mesma corrente" (RMS AC) fluirá através desse resistor como no capacitor original e na fonte de alimentação funcionaria da mesma forma (consulte o ST AN1476 para obter um exemplo dessa fonte de alimentação "resistor dropper").

O capacitor desperdiça energia como calor?

Um capacitor ideal nunca converte energia em calor - toda a energia elétrica que flui para um capacitor ideal acaba saindo do capacitor como energia elétrica.

Um capacitor real possui pequenas quantidades de resistência parasitária em série (ESR) e resistência paralela parasitária, portanto, uma pequena quantidade da energia de entrada é convertida em calor. Mas qualquer capacitor real dissipa muito menos energia (muito mais eficiente) do que um "resistor equivalente" dissiparia. Um capacitor real dissipa muito menos energia que os resistores de segurança ou uma ponte de diodos real.

Se o zener se foi e a saída foi deixada flutuar em torno de 50V ...

Se você pode ajustar a resistência de sua carga ou trocar a tampa de queda por uma com uma capacitância diferente de sua escolha, pode forçar a saída a flutuar próximo à tensão que você escolher. Mas você inevitavelmente sofrerá algumas ondulações.

Se o zener se fosse e a saída deixasse flutuar ... chegaria a 100% de eficiência?

Bom olho - o zener é a parte que mais desperdiça energia neste circuito. Um regulador linear aqui melhoraria significativamente a eficiência deste circuito.

Se você assumir capacitores ideais (o que é uma boa suposição) e diodos ideais (não uma suposição tão boa), nenhuma energia será perdida nesses componentes. Em operação normal, perde-se relativamente pouca energia nos resistores de proteção de segurança. Como não há outro lugar para a energia ir, esse circuito idealizado daria 100% de eficiência. Mas também teria algumas ondulações. Você pode seguir esse circuito sem zener com um regulador de tensão linear para eliminar essa ondulação e ainda obter uma eficiência líquida acima de 75%.

A "lei" de que " um regulador de tensão sempre tem uma eficiência de$V_{out}/V_{in}$ " se aplica apenas a reguladores lineares de CC para CC. Essa lei não se aplica a esse circuito, porque esse circuito possui entrada CA e, portanto, esse circuito pode ter uma eficiência muito melhor do que a "lei" prevê.

EDIT: Dave Tweed salienta que a simples substituição do zener por um regulador linear torna esse circuito geral menos eficiente.

Acho contra-intuitivo que desperdiçar deliberadamente alguma energia faça o sistema funcionar com mais eficiência. (Outro circuito em que a adição de um pouco de resistência melhora o desempenho: Corrente ondulada em um transformador de fonte de alimentação linear ).

Gostaria de saber se existe alguma outra maneira de melhorar a eficiência desse circuito, que é menos complexo que um regulador de comutação de 2 transistores ?

Gostaria de saber se modificar mais o circuito adicionando outro capacitor nas pernas CA do retificador em ponte pode resultar em algo mais eficiente do que o circuito zener original? (Em outras palavras, um circuito divisor capacitivo como esta simulação Falstad ?)

Esta fonte de alimentação funciona apenas como projetada (fornece uma tensão indiscutivelmente constante) consumindo uma energia constante da rede elétrica CA. É uma fonte de corrente CA, em oposição a uma fonte de tensão.

Portanto, você precisa de uma ponte de diodos, um acumulador de energia (capacitor) e um regulador de tensão para transformá-lo em CC.

No entanto, como uma energia constante é extraída da rede elétrica CA, qualquer energia não consumida pela carga deve ser dissipada. É por isso que um diodo Zener é usado; qualquer excesso de energia é dissipado na forma de calor no diodo Zener. Se fosse um regulador linear, a tensão de entrada iria subir acima do seu máximo V _em que o ponto onde se queima-se. E como a quantidade de energia extraída da rede elétrica CA depende da tensão e frequência CA (devido à reatância), o diodo Zener também ajuda a manter uma tensão constante na variação da tensão e / ou frequência da rede elétrica CA.

Eficiência:

O factor de potência não é a eficiência do fornecimento de energia e também não é V _fora / V _em . A eficiência é P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). Em uma fonte de alimentação linear, eu _out pode ser considerado o mesmo que eu _in (se você descartar I _q ) e, portanto, a eficiência pode ser simplificada como V _out / V _in . Em uma fonte de alimentação capacitiva, no entanto, P _in é constante, portanto, sua eficiência dependerá totalmente de quanto da energia disponível a carga realmente consome.

Fator de potência (PF):

Eu usei fontes de alimentação capacitivas em literalmente milhares de unidades, mas com valores diferentes (470 nF, 220 VCA). Nossa fonte de alimentação consome cerca de 0,9 watt, mas cerca de 7,2 VA (Volt-Ampere). Tem um fator de potência muito ruim , mas de uma maneira muito boa. Por se comportar como um capacitor, ajuda a corrigir (aproximar de 1) o mau PF dos motores, que se comportam como indutores e são a principal fonte de mau PF da rede elétrica. De qualquer forma, é uma corrente tão baixa que não faz muita diferença de qualquer maneira.

Em relação aos componentes:

Resistor de 47 ohm:

Seu objetivo é limitar a corrente através do capacitor e do diodo Zener quando o circuito é conectado pela primeira vez, porque a rede elétrica CA pode estar em qualquer ângulo (tensão) e o capacitor não tem carga, por isso atua como um curto-circuito.

2.2 resistor Mohm:

Seu objetivo é descarregar o capacitor de 33 nF, porque a tensão do capacitor pode ter qualquer valor quando você desconecta a rede elétrica. caso contrário, não haveria caminho para descarregar, a não ser os dedos de alguém (isso já aconteceu comigo várias vezes).

Capacitor de 33 nF:

Como alguns afirmaram corretamente, eles substituem um resistor divisor de tensão, explorando o fato de sua reatância nas redes de 50 ou 60 Hz. Você não obtém o desperdício de calor de um resistor equivalente, mas muda o ângulo da corrente versus a tensão.

Diodos de retificação (ponte):

Deve ser auto-explicativo, mas não é necessário; um diodo será suficiente (em uma configuração diferente, menos eficiente, porém mais segura). O problema é que, para que a reatância do capacitor de 33 nF funcione, é necessário que a corrente flua em uma direção e, em seguida, a mesma corrente exata que flua na direção oposta.

Quantos diodos são usados ​​e em qual configuração depende de muitas coisas. Ao usar um diodo e conectar corretamente os fios neutro e de fase, o seu circuito GND será neutro CA, tornando a saída muito mais segura, mas tem a desvantagem de que apenas as ondas senoidais positivas serão entregues no capacitor de 47 µF.

O uso da ponte de diodos significa que na metade do tempo a saída negativa é neutra, a outra metade é na fase principal! Claro, tudo isso depende de onde você está (literalmente). Países ou regiões muito secos tendem a usar conexões fase a fase sem neutro devido à baixa condutividade de seu aterramento. Você também pode obter duas saídas de tensão usando apenas dois diodos de retificação, diodos zener e capacitores de 47 µF.

Diodo Zener:

Seu objetivo é manter uma tensão (um pouco) constante na saída da fonte de alimentação. Qualquer excesso de corrente não consumida pela carga fluirá através dela para o terra e, portanto, será transformado em calor.

Capacitor de 47 µF:

Ele filtra a corrente sinusoidal fornecida pelo capacitor de 33 nF.

Para maior eficiência, você precisa diminuir o resistor de 47 ohm até a corrente máxima permitida pelo zener quando conectado diretamente no pico de CA e ajustar o capacitor de 33 nF o mais próximo possível da corrente de carga exata.

Não faça isso; esses circuitos são realmente muito perigosos.

Eles têm uma eficiência bastante ruim, mas isso realmente não importa, pois um circuito como esse só pode operar com uma corrente constante muito baixa. Você perde energia em todos os resistores, diodos e alguns nos capacitores devido à ESR . A ESR de uma tampa de cerâmica pode ser bastante alta a 50 Hz.

Você não pode abrir o circuito desses circuitos, pelo menos não sem um diodo Zener volumoso , remover o resistor de carga e observar a corrente através do diodo Zener. Você basicamente precisa operá-los a uma corrente de carga constante, algo na faixa de 10 a 15 mA geralmente para obter uma regulamentação razoável. À medida que sua corrente sobe, sua ondulação aumenta muito e a saída de tensão começa a diminuir bastante.

Quanto às suas perguntas:

Como o capacitor reduz a tensão, afinal? Desperdiça energia como calor?

Basicamente, você construiu um conjunto de filtros passa-baixo de modo que, com uma resistência à carga na faixa operacional, esteja após a atenuação em 50 Hz, o que for necessário. À medida que a resistência da carga cai (a corrente aumenta), essa atenuação aumenta até o ponto em que a tensão regulada cai.

O circuito fará muito mais sentido se você olhar no domínio da frequência em vez do tempo.

Se o zener se fosse e a saída flutuasse em torno de 50V, seria 100% de eficiência?

Não, você perde energia em todos os diodos e resistores. Se você remover o diodo Zener, perde basicamente toda a regulação; a tensão e o nível de ondulação variam muito com a resistência da carga.

O zener é o que fornece a saída de 3.3V. O capacitor não diminui a tensão, apenas absorve uma carga sempre que a CA retificada exceder a tensão do zener e alimenta a carga durante os momentos em que a CA retificada é menor que isso. Como sua carga é de apenas 10K e a tampa é de 47uF, a constante RC de 0,47 segundo significa que o capacitor não descarrega muito enquanto o zener está desligado, o que significa que a tensão da carga não diminui significativamente ao operar com a energia do capacitor.

O maior desperdício de energia seria o resistor de queda em série, pois absorve toda a corrente de carga (e zener) e diminui praticamente toda a tensão da linha.

Se você parou o zener e tentou usá-lo como um suprimento não regulamentado, a eficiência depende da carga. Mais corrente significa mais dissipação no resistor em série, significa menos eficiência. Você poderia obter quase 100% de eficiência apenas se estivesse consumindo quantidades incrivelmente minuciosas de corrente; nesse caso, a tensão também aumentaria cerca de 1,4 vezes a tensão RMS da linha.

Aqui está a simulação que eu estou olhando. Não preste muita atenção às leituras instantâneas no lado AC, pois elas estão naturalmente flutuando.

Se eu ajustar a carga de 10k para uma carga de 1k, só consigo extrair 782mV.

Bem, na verdade é bem simples:

Essa é a impedância do seu capacitor. Muda com 60 ou 50 Hz.

Sua corrente máxima será sempre:

$V_{in}$