용량 성 전원 공급 장치는 얼마나 효율적입니까?

이 같은

그것의 Falstad 시뮬레이션 버전

(피곤합니다. 계속 실수를하므로 두 번째로 실례합니다.)

이제는 격리 부족으로 인해 PSU가 안전하지 않습니다. 그러나 밀폐 된 장치에서는 SMPS 또는 변압기없이 마이크로 컨트롤러의 공급 전압을 얻는 저렴한 방법이 될 수 있습니다.

제너와 저항으로 인해 100 % 효율적이지 않습니다. 그러나 몇 가지 질문이 있습니다.

1. 어쨌든 커패시터는 어떻게 전압을 낮추는가? 열로 전력을 낭비합니까?
2. 제너가 사라지고 출력이 약 50V로 플로팅되도록하면 100 % 효율에 도달합니까?

이 회로는 "변압기없는 AC-DC 전원 공급 장치"또는 "CR 드롭퍼 회로"라고하는 회로 범주 중 하나입니다. 다른 예는 "Massmind : Transformerless AC-DC 전원 공급 장치 " 또는 "Massmind : Transformer-less 용량 성 블리드 전력 변환" 또는 "ST AN1476 : 가전 제품 용 저가형 전원 공급 장치"를 참조하십시오 .

이러한 장치의 역률은 0에 가까우므로 EN61000-3-2와 같은 EU에서 규정 한 역률 법을 준수하는지 의심이됩니다. 더 나쁜 것은, 그러한 장치가 "구형파"또는 "수정 된 사인파"UPS에 꽂혀있을 때, 주 전원에 꽂을 때보 다 훨씬 더 높은 전력 소비 (최악의 효율)를 갖습니다. 안전 저항을 선택하고이 추가 전원을 처리 할 수있을만큼 큰 제너를 사용하면 과열되어 고장날 수 있습니다. 이 두 가지 결점은 일부 엔지니어가 "CR 드로퍼"기술을 " 못하고 위험한 " 것으로 생각하는 이유 일 수 있습니다 .

커패시터는 어떻게 전압을 낮추는가?

이것을 설명하는 몇 가지 방법이 있습니다. 한 가지 방법은 (아마도 가장 직관적이지 않음) :

커패시터의 한쪽 다리는 (안전 저항을 통해) 100VAC 이상에서 진동하는 "핫"주전원에 연결됩니다. 커패시터의 다른 다리는 항상 몇 볼트의 접지 내에있는 것에 연결됩니다. 입력이 DC 인 경우 커패시터는 전류가 흐르는 것을 완전히 차단합니다. 그러나 입력이 AC이기 때문에 커패시터는 소량의 전류가 커패시턴스에 비례하여 전류를 흐르게합니다. 구성 요소에 전압이 흐르고 구성 요소를 통해 흐르는 전류가있을 때마다 전자 장치 사람들은 옴의 법칙을 사용하여 유효 임피던스 계산에 저항 할 수 없습니다.

(일반적으로 우리는 R = V / I라고 말하지만 커패시터와 인덕터의 임피던스에 대해 이야기 할 때 Z를 사용하는 것을 좋아합니다. 전통입니다. 알 겠지요?)

해당 커패시터를 해당 커패시터의 절대 임피던스 Z와 동일한 실제 임피던스 R을 가진 "등가 저항"으로 교체하면 "동일한"(RMS AC) 전류가 원래 커패시터와 전원 공급 장치를 통해 해당 저항을 통해 흐릅니다. 동일하게 작동합니다 ( "저항 드롭퍼"전원 공급 장치의 예는 ST AN1476 참조).

커패시터는 전력을 열로 낭비합니까?

이상적인 커패시터는 어떤 전력도 열로 변환하지 않습니다. 이상적인 커패시터로 흐르는 모든 전기 에너지는 결국 커패시터에서 전기 에너지로 흐릅니다.

실제 커패시터는 소량의 기생 직렬 저항 (ESR)과 기생 병렬 저항을 가지므로 소량의 입력 전력이 열로 변환됩니다. 그러나 실제 커패시터는 "등가 저항"보다 훨씬 적은 전력 (더 효율적인)을 소비합니다. 실제 커패시터는 안전 저항 또는 실제 다이오드 브리지보다 훨씬 적은 전력을 소비합니다.

제너가 사라지고 출력이 약 50V로 떠 다니면 ...

부하의 저항을 조정하거나 선택한 다른 커패시턴스를 가진 드롭 핑 캡을 교체 할 수 있다면 선택한 전압에 가깝게 출력을 강제로 플로팅 할 수 있습니다. 그러나 필연적으로 파문이 생길 것입니다.

제너가 사라지고 출력이 플로팅되면 100 % 효율에 도달합니까?

좋은 눈-제 너는이 회로에서 가장 많은 에너지를 소비하는 부분입니다. 여기서 선형 레귤레이터는이 회로의 효율을 크게 향상시킵니다.

이상적인 커패시터 (좋은 가정)와 이상적인 다이오드 (좋은 가정은 아님)를 가정하면 해당 구성 요소에서 전력이 손실되지 않습니다. 정상 작동시 안전 보호 저항에서 전력 손실이 상대적으로 적습니다. 전력이 공급 될 다른 곳이 없기 때문에 이러한 이상적인 회로는 100 % 효율을 제공합니다. 그러나 또한 약간의 파문이 있습니다. 리니어 전압 레귤레이터를 사용하여이 더 발전된 회로를 따라갈 수있어 리플을 제거하고 여전히 75 % 이상의 순 효율을 얻을 수 있습니다.

$V_{out}/V_{in}$

편집 : Dave Tweed는 단순히 제너를 선형 레귤레이터로 교체하면 실제로이 전체 회로의 효율이 떨어집니다.

의도적으로 일부 전력을 낭비하면 시스템이 더 효율적으로 작동한다는 것은 반 직관적입니다. (약간의 저항을 추가하면 회로 성능이 향상되는 또 다른 회로 : 선형 전원 변압기의 리플 전류 ).

이 회로의 효율을 향상시키는 다른 방법이 있는지 궁금합니다. 2- 트랜지스터 스위칭 레귤레이터 보다 덜 복잡합니다 .

브리지 정류기의 AC 레그에 다른 커패시터를 추가하여 회로를 추가로 수정하면 원래 제너 회로보다 효율적인 것이 있습니까? (즉,이 Falstad 시뮬레이션 과 같은 용량 성 분배기 회로는 ?)

이 전원 공급 장치는 AC 주전원에서 일정한 전력을 소비하여 설계된 대로만 작동합니다 (논리적으로 일정한 전압 제공). 전압원이 아닌 AC 전류원입니다.

따라서 다이오드 브리지, 에너지 누산기 (커패시터) 및 전압 레귤레이터가 있어야 DC로 변환 할 수 있습니다.

그러나, AC 주전원으로부터 일정한 에너지가 끌어 오기 때문에 부하에 의해 소비되지 않는 모든 에너지는 소산되어야합니다. 이것이 제너 다이오드가 사용되는 이유입니다. 초과 에너지는 제너 다이오드에서 열 형태로 소산됩니다. 이 선형 레귤레이터 인 경우, 입력 전압의 최대 V 이상으로 올라갈 것이다 _에 그 위로 화상 지점. 또한 AC 주전원에서 끌어 오는 전력량은 AC 전압 및 주파수 (리액턴스로 인해)에 따라 달라 지므로 제너 다이오드는 AC 주전원 전압 및 / 또는 주파수 변동에서 일정한 전압을 유지하는 데 도움이됩니다.

능률:

역률은 전원 공급 장치의 효율성이 아니며 V _out / V _in 도 아닙니다 . 효율은 P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in )입니다. 선형 전원 공급 장치, 나는 _밖으로는 동일한 것으로 간주 될 수와 같은 I _에서 (당신은 내가 폐기하는 경우 _Q를 ) 때문에 효율이 V로 간단하게 할 수 _밖에 / V _에서 . 그러나 용량 성 전원 공급 장치에서 P _in 은 일정하므로 효율은 부하가 실제로 사용 가능한 전력의 양에 따라 달라집니다.

역률 (PF) :

용량 성 전원 공급 장치를 문자 그대로 수천 단위로 사용했지만 값 (470nF, 220VAC)이 다릅니다. 우리의 전원 공급 장치는 약 0.9 와트이지만 약 7.2VA (Volt-Ampere)를 소비합니다. 매우 나쁘다 역률을 하지만 아주 좋은 방법. 커패시터로 동작하기 때문에 인덕터의 역할을하며 불량 주전원 PF의 주요 소스 인 모터의 불량 PF를 교정하는 데 도움이됩니다. 어쨌든, 그것은 저 전류이므로 어쨌든 큰 차이는 없습니다.

구성 요소와 관련하여 :

47 옴 저항 :

AC 전원은 모든 각도 (전압)에있을 수 있고 커패시터는 전하가 없으므로 단락 회로로 작동하기 때문에 회로를 처음 연결할 때 커패시터와 제너 다이오드를 통해 전류를 제한하는 것이 목적입니다.

2.2 옴 저항 :

주전원을 분리 할 때 커패시터 전압은 임의의 값을 가질 수 있으므로 33nF 커패시터를 방전하는 것이 목적입니다. 그렇지 않으면, 그것은 배출 경로가 없지만 누군가의 손가락입니다 (그것은 여러 번 나에게 일어났습니다).

33nF 커패시터 :

일부는 올바르게 언급했듯이 50 또는 60Hz 주전원에서 리액턴스의 사실을 이용하여 분압기 저항을 대체합니다. 동등한 저항의 열 낭비를 얻지 않고 전류 대 전압의 각도를 변경하십시오.

정류 다이오드 (브리지) :

설명이 필요하지만 반드시 필요한 것은 아닙니다. 하나의 다이오드로 충분할 것입니다 (다른 가장 효율적이지만 안전한 구성). 33nF 커패시터 리액턴스가 작동하려면 한 방향으로 흐르는 전류와 반대 방향으로 흐르는 동일한 전류가 필요합니다.

얼마나 많은 다이오드가 사용되며 어떤 구성이 많은 것들에 달려 있습니다. 하나의 다이오드를 사용하고 중성선 및 위상 와이어를 올바르게 연결하면 GND가 AC 중성 회로가되어 출력이 훨씬 더 안전 해지지 만, 정현파의 사인파에서만 47µF 커패시터로 전류가 전달된다는 단점이 있습니다.

다이오드 브리지를 사용한다는 것은 네거티브 출력이 중립 시간의 절반이고 나머지 절반이 메인 위상임을 의미합니다! 물론, 이것은 모두 당신이 (문학적으로) 세계 어디에 있는지에 달려 있습니다. 매우 건조한 국가 또는 지역은 접지의 전도성이 낮기 때문에 중성없이 상 간 연결을 사용하는 경향이 있습니다. 2 개의 정류 다이오드, 제너 다이오드 및 47µF 커패시터 만 사용하여 2 개의 전압 출력을 얻을 수도 있습니다.

제너 다이오드 :

그 목적은 전원 공급 장치의 출력에서 ​​일정한 전압을 유지하는 것입니다. 부하에 의해 소비되지 않은 초과 전류는이를 통해 접지로 흐르므로 열로 변환됩니다.

47µF 커패시터 :

33nF 커패시터가 전달하는 정현파 전류를 걸러냅니다.

효율을 높이려면 47ohm 저항을 AC 피크에 바로 연결했을 때 제너가 허용하는 최대 전류로 낮추고 필요한 정확한 부하 전류에 가장 가까운 33nF 커패시터를 조정해야합니다.

하지 마라. 이 회로는 정말 위험합니다.

그것들은 효율이 좋지 않지만, 이와 같은 회로가 매우 낮은 정상 전류로만 작동 할 수 있기 때문에 실제로 중요하지 않습니다. ESR 로 인해 모든 저항, 다이오드 및 커패시터의 전원이 손실됩니다 . 세라믹 캡의 ESR은 50Hz에서 상당히 높을 수 있습니다.

부피가 큰 제너 다이오드 없이는 이러한 회로를 열 수 없으며 부하 저항을 제거하고 제너 다이오드를 통한 전류를 볼 수 없습니다. 기본적으로 일정한 조정 전류를 얻기 위해서는 일정한 부하 전류에서 10-15mA 범위에서 작동해야합니다. 전류가 증가함에 따라 리플이 많이 증가하고 전압 출력이 심하게 처지기 시작합니다.

당신의 질문에 관해서 :

어쨌든 커패시터는 어떻게 전압을 낮추는가? 열로 전력을 낭비합니까?

기본적으로, 저역 통과 필터 세트를 구축 하여 작동 범위의 부하 저항으로 50Hz에서 감쇠 후 필요한 것이 무엇이든됩니다. 부하 저항이 떨어지면 (전류가 증가)이 감쇠는 조정 된 전압이 떨어지는 지점까지 증가합니다.

시간 대신 주파수 영역을 보면 회로가 훨씬 더 합리적입니다.

제너가 사라지고 출력이 약 50V로 플로팅되도록하면 100 % 효율에 도달합니까?

아니요, 모든 다이오드와 모든 저항에서 전력이 손실됩니다. 제너 다이오드를 제거하면 기본적으로 모든 규제가 사라집니다. 리플의 전압과 레벨은 부하 저항에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

제너는 3.3V 출력을 제공합니다. 커패시터는 전압을 '강압'하지 않고 정류 된 AC가 제너 전압을 초과 할 때마다 충전을 흡수하고 정류 된 AC가 그보다 낮은 시간 동안 부하를 공급합니다. 부하가 10K에 불과하고 캡이 47uF이므로 0.47 초 RC 상수는 제너가 꺼져있는 동안 커패시터가 많이 방전되지 않음을 의미합니다. 즉, 커패시터 전원으로 작동하는 동안 부하 전압이 크게 저하되지 않습니다.

주요 전력 낭비는 모든 부하 (및 제너) 전류를 취하고 실질적으로 모든 라인 전압을 떨어 뜨리기 때문에 직렬 강하 저항입니다.

제너를 끄고 이것을 조절되지 않은 공급 장치로 사용하려고하면 효율은 부하에 따라 다릅니다. 더 많은 전류는 직렬 저항에서 더 많은 소산을 의미하며 효율이 떨어집니다. 믿을 수 없을 정도로 작은 양의 전류 만 끌어 오는 경우에만 100 %에 가까운 효율을 얻을 수 있습니다.이 경우 전압도 라인 RMS 전압의 약 1.4 배까지 올라갑니다.

여기 내가보고있는 시뮬레이션이 있습니다. AC 측의 순간 판독 값은 물론 변동하기 때문에 너무주의하지 마십시오.

10k 부하를 1k 부하로 조정하면 782mV 만 얻을 수 있습니다.

글쎄, 실제로는 매우 간단합니다.

이것이 커패시터 임피던스입니다. 60 또는 50Hz로 변경됩니다.

최대 전류는 항상 다음과 같습니다.

$V_{in}$