¿Qué tan eficiente es una fuente de alimentación capacitiva?

Algo como esto

Falstad versión sim de ella

(Estoy cansado, sigo cometiendo errores, así que discúlpeme por segunda vez).

Ahora, estas no son muy seguras, debido a la falta de aislamiento. Pero en unidades selladas, pueden ser una forma económica de obtener el voltaje de suministro para un microcontrolador sin un SMPS o transformador.

No son 100% eficientes debido al zener y las resistencias. Pero tengo varias preguntas.

1. ¿Cómo baja el condensador el voltaje, de todos modos? ¿Pierde energía como calor?
2. Si el Zener se hubiera ido y la salida se dejara flotar alrededor de 50V, ¿se acercaría al 100% de eficiencia?

Este circuito pertenece a una categoría de circuitos llamada "Fuente de alimentación de CA a CC sin transformador" o "Circuito cuentagotas CR". Para otros ejemplos, consulte "Massmind: fuente de alimentación de CA a CC sin transformador" o "Massmind: conversión de energía de purga capacitiva sin transformador" o "ST AN1476: fuente de alimentación de bajo costo para electrodomésticos" .

Dicho dispositivo tiene un factor de potencia cercano a 0, por lo que es cuestionable si cumple con las leyes de factor de potencia exigidas por la UE, como EN61000-3-2. Peor aún, cuando dicho dispositivo se conecta a un UPS de "onda cuadrada" u "onda sinusoidal modificada", tiene una disipación de energía mucho mayor (peor eficiencia) que cuando se conecta a la red eléctrica, si la persona que construye este circuito no elija resistencias de seguridad y zener lo suficientemente grandes como para manejar esta potencia adicional, pueden sobrecalentarse y fallar. Estos dos inconvenientes pueden ser la razón por la cual algunos ingenieros consideran que la técnica de "cuentagotas CR" es " dudosa y peligrosa ".

¿Cómo baja el condensador el voltaje?

Hay varias formas de explicar esto. Una forma (quizás no la más intuitiva):

Una pata del condensador está unida (a través de una resistencia de seguridad) a la red eléctrica "caliente" que oscila a más de 100 VCA. La otra pata del condensador está conectada a algo que siempre está a unos pocos voltios de tierra. Si la entrada fuera CC, entonces el condensador bloquearía por completo cualquier corriente que fluya a través de él. Pero como la entrada es CA, el capacitor deja pasar una pequeña cantidad de corriente (proporcional a su capacitancia). Cada vez que tenemos un voltaje a través de un componente y la corriente que fluye a través del componente, nosotros, los electrónicos, no podemos resistirnos a calcular la impedancia efectiva usando la ley de Ohm:

(Normalmente decimos R = V / I, pero nos gusta usar Z cuando hablamos de la impedancia de condensadores e inductores. Es tradición, ¿de acuerdo?)

Si reemplaza ese condensador con una "resistencia equivalente" con una impedancia real R igual a la impedancia absoluta Z de ese condensador, "la misma" corriente (RMS AC) fluiría a través de esa resistencia como a través de su condensador original, y la fuente de alimentación funcionaría más o menos igual (consulte ST AN1476 para ver un ejemplo de una fuente de alimentación de "cuentagotas de resistencia").

¿El condensador desperdicia energía como calor?

Un condensador ideal nunca convierte ninguna energía en calor: toda la energía eléctrica que fluye hacia un condensador ideal eventualmente sale del condensador como energía eléctrica.

Un condensador real tiene pequeñas cantidades de resistencia en serie parásita (ESR) y resistencia paralela parásita, por lo que una pequeña cantidad de la potencia de entrada se convierte en calor. Pero cualquier condensador real disipa mucha menos potencia (mucho más eficiente) que una "resistencia equivalente" se disiparía. Un condensador real disipa mucha menos energía que las resistencias de seguridad o un puente de diodos real.

Si el zener se hubiera ido y la salida se dejara flotar alrededor de 50V ...

Si puede ajustar la resistencia de su carga, o cambiar la tapa de caída por una con una capacitancia diferente de su elección, puede forzar la salida a flotar cerca del voltaje que elija. Pero inevitablemente tendrá alguna onda.

Si el Zener se hubiera ido y la salida se dejara flotar ... ¿se acercaría al 100% de eficiencia?

Buen ojo: el zener es la parte que desperdicia más energía en este circuito. Un regulador lineal aquí mejoraría significativamente la eficiencia de este circuito.

Si asume condensadores ideales (que es una buena suposición) y diodos ideales (no es una buena suposición), no se pierde energía en esos componentes. En funcionamiento normal, se pierde relativamente poca energía en las resistencias de protección de seguridad. Como no hay otro lugar al que ir la energía, un circuito tan idealizado le daría un 100% de eficiencia. Pero también tendría algo de onda. Es posible que pueda seguir este circuito sin Zener con un regulador de voltaje lineal para eliminar esa ondulación y aún así obtener una eficiencia neta superior al 75%.

La "ley" que " un regulador de voltaje siempre tiene una eficiencia de$V_{out}/V_{in}$ " solo se aplica a los reguladores lineales DC a DC. Esa ley no se aplica a este circuito, porque este circuito tiene entrada de CA, por lo que este circuito puede tener una eficiencia mucho mejor de lo que predice esa "ley".

EDITAR: Dave Tweed señala que simplemente reemplazar el Zener con un regulador lineal en realidad hace que este circuito general sea menos eficiente.

Me parece contra-intuitivo que el desperdicio deliberado de energía hace que el sistema funcione de manera más eficiente. (Otro circuito donde agregar un poco de resistencia lo hace funcionar mejor: corriente de ondulación en un transformador de fuente de alimentación lineal ).

Me pregunto si hay alguna otra forma de mejorar la eficiencia de este circuito, que es menos complejo que un regulador de conmutación de 2 transistores .

Me pregunto si modificar aún más el circuito agregando otro condensador a través de las patas de CA del puente rectificador podría resultar en algo más eficiente que el circuito Zener original. (En otras palabras, ¿un circuito divisor capacitivo como esta simulación de Falstad ?)

Esta fuente de alimentación solo funciona como está diseñada (proporciona un voltaje posiblemente constante) al consumir una potencia constante de la red eléctrica de CA. Es una fuente de corriente alterna, a diferencia de una fuente de voltaje.

Por lo tanto, necesita un puente de diodos, un acumulador de energía (condensador) y un regulador de voltaje para transformarlo en CC.

Sin embargo, dado que se extrae una energía constante de la red de CA, cualquier energía no consumida por la carga tiene que ser disipada. Por eso se usa un diodo Zener; cualquier exceso de energía se disipa en forma de calor en el diodo Zener. Si se tratara de un regulador lineal, la tensión de entrada se subía por encima de su máximo V _en el punto en el que se quema. Y debido a que la cantidad de energía extraída de la red de CA depende del voltaje y la frecuencia de CA (debido a la reactancia), el diodo Zener también ayuda a mantener un voltaje constante en la variación de la tensión y / o frecuencia de la red de CA.

Eficiencia:

El factor de potencia no es la eficiencia de la fuente de alimentación y tampoco es V _out / V _in . La eficiencia es P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). En una fuente de alimentación lineal, I _out podría considerarse igual que I _in (si descarta I _q ) y, por lo tanto, la eficiencia puede simplificarse como V _out / V _in . Sin embargo, _en una fuente de alimentación capacitiva, P _in es constante, por lo que su eficiencia dependerá totalmente de la cantidad de energía disponible que consuma la carga.

Factor de potencia (PF):

He usado fuentes de alimentación capacitivas en literalmente miles de unidades, pero con diferentes valores (470 nF, 220 VAC). Nuestra fuente de alimentación consume alrededor de 0.9 vatios, pero alrededor de 7.2 VA (voltios-amperios). Tiene un factor de potencia muy malo , pero de muy buena manera. Dado que se comporta como un condensador, ayuda a corregir (acercar a 1) el PF malo de los motores, que se comportan como inductores y son la fuente principal de PF de red defectuoso. En cualquier caso, es una corriente tan baja que de todos modos no hace mucha diferencia.

En cuanto a los componentes:

Resistencia de 47 ohmios:

Su propósito es limitar la corriente a través del condensador y el diodo Zener cuando el circuito se conecta por primera vez, porque la red de CA puede estar en cualquier ángulo (voltaje) y el condensador no tiene carga, por lo que actúa como un cortocircuito.

2.2 resistencia de Mohm:

Su propósito es descargar el condensador de 33 nF, porque el voltaje del condensador puede estar en cualquier valor cuando desconecta la red. de lo contrario, no tendría camino para descargar sino los dedos de alguien (me ha sucedido varias veces).

Condensador 33 nF:

Como algunos han dicho correctamente, reemplazan una resistencia divisoria de voltaje explotando el hecho de su reactancia a 50 o 60 Hz de red. No obtiene el desperdicio de calor de una resistencia equivalente, sino que cambia el ángulo de la corriente frente al voltaje.

Diodos Rectificadores (Puente):

Debería explicarse por sí mismo, pero no son necesarios; un diodo será suficiente (en una configuración diferente menos eficiente pero más segura). La cuestión es que la reactancia del condensador de 33 nF funcione, necesita que la corriente fluya en una dirección y luego exactamente la misma corriente que fluye en la dirección opuesta.

Cuántos diodos se usan y en qué configuración depende de muchas cosas. Cuando use un diodo y conecte correctamente los cables de fase y neutro, su circuito GND será neutro de CA, lo que hace que la salida sea mucho más segura, pero tiene la desventaja de que solo en las ondas sinusoidales positivas se enviará corriente al condensador de 47 µF.

¡Usar el puente de diodos significa que la mitad de las veces la salida negativa es neutral, la otra mitad es fase de red! Por supuesto, todo esto depende de en qué parte del mundo te encuentres (literalmente). Los países o regiones que son muy secos tienden a utilizar conexiones de fase a fase sin neutro debido a la baja conductividad de su tierra física. También puede obtener dos salidas de voltaje utilizando solo dos diodos rectificadores, diodos zener y condensadores de 47 µF.

Diodo Zener:

Su propósito es mantener un voltaje (algo) constante en la salida de la fuente de alimentación. Cualquier exceso de corriente no consumida por la carga fluirá a través de ella a tierra, y así se transformará en calor.

Condensador de 47 µF:

Filtra la corriente sinusoidal suministrada por el condensador de 33 nF.

Para una mayor eficiencia, debe disminuir la resistencia de 47 ohmios a la corriente máxima que permitirá el zener cuando se enchufa directamente en el pico de CA y sintoniza el condensador de 33 nF lo más cercano a la corriente de carga exacta que necesita.

No lo hagas; Estos circuitos son realmente bastante peligrosos.

Tienen una eficiencia bastante mala, pero en realidad no importa, ya que un circuito como este solo puede funcionar con una corriente constante que es muy baja. Pierdes potencia en todas las resistencias, los diodos y algunos en los condensadores debido a ESR . El ESR de una tapa de cerámica puede ser bastante alto a 50 Hz.

No puede abrir el circuito de estos circuitos, al menos no sin un diodo Zener voluminoso , retire la resistencia de carga y observe la corriente a través del diodo Zener. Básicamente, debe operarlos a una corriente de carga constante, algo en el rango de 10-15 mA generalmente para obtener una regulación razonable. A medida que su corriente aumenta, su ondulación aumentará mucho y la salida de voltaje comenzará a disminuir considerablemente.

En cuanto a sus preguntas:

¿Cómo baja el condensador el voltaje, de todos modos? ¿Pierde energía como calor?

Básicamente, ha construido un conjunto de filtros de paso bajo de modo que con una resistencia de carga en el rango operativo, lo que necesita es su atenuación a 50 Hz. A medida que la resistencia de carga cae (la corriente aumenta), esta atenuación aumenta hasta el punto en que cae el voltaje regulado.

El circuito tendrá mucho más sentido si observa el dominio de la frecuencia en lugar del tiempo.

Si el Zener se hubiera ido y la salida se dejara flotar alrededor de 50V, ¿se acercaría al 100% de eficiencia?

No, pierdes potencia en todos los diodos y todas las resistencias. Si elimina el diodo Zener, pierde básicamente toda la regulación; El voltaje y el nivel de ondulación variarían mucho con la resistencia de la carga.

El zener es lo que te da la salida de 3.3V. El condensador no 'baja' el voltaje, solo absorbe una carga cada vez que la CA rectificada excede el voltaje zener, y alimenta la carga durante los momentos en que la CA rectificada es menor que eso. Dado que su carga es de solo 10K y la tapa es de 47uF, la constante RC de 0.47 segundos significa que el capacitor no se descarga mucho mientras el zener está apagado, lo que significa que el voltaje de la carga no se hunde significativamente mientras funciona con la potencia del capacitor.

El principal desperdicio de energía sería la resistencia de caída en serie, ya que toma toda la corriente de carga (y zener) y deja caer prácticamente todo el voltaje de línea.

Si dejó el zener y trató de usar esto como un suministro no regulado, la eficiencia depende de la carga. Más corriente significa más disipación en esa resistencia en serie, significa menos eficiencia. Podrías obtener una eficiencia cercana al 100% solo si solo estuvieras consumiendo cantidades increíblemente diminutas de corriente, en cuyo caso el voltaje también aumentaría hasta aproximadamente 1,4 veces el voltaje RMS de la línea.

Aquí está la simulación que estoy viendo. No preste demasiada atención a las lecturas instantáneas en el lado de CA ya que, por supuesto, fluctúan.

Si ajusto la carga de 10k a una carga de 1k, solo puedo obtener 782mV.

Bueno, en realidad es bastante simple:

Esa es la impedancia de tu condensador. Cambia con 60 o 50 Hz.

Su corriente máxima siempre será:

$V_{in}$