¿Qué tan eficiente es una fuente de alimentación capacitiva?

Este circuito pertenece a una categoría de circuitos denominada "fuente de alimentación de CA a CC sin transformador" o "circuito cuentagotas CR". Para ver 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" .

Tal dispositivo tiene un factor de potencia cercano a 0, lo que hace cuestionable si cumple con las leyes de factor de potencia exigidas por la UE, como EN61000-3-2. Peor aún, cuando un dispositivo de este tipo 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 lo hace. 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 que algunos ingenieros consideran que la técnica del "cuentagotas CR" es "poco fiable y peligrosa ".

¿Cómo reduce el voltaje el condensador?

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

Una pata del condensador está conectada (a través de una resistencia de seguridad) a la red eléctrica "caliente" que oscila a más de 100 VCA. La otra pata del capacitor está conectada a algo que siempre está dentro de unos pocos voltios de tierra. Si la entrada fuera CC, entonces el capacitor bloquearía completamente cualquier flujo de corriente 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 una corriente que fluye a través del componente, la gente de electrónica 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 capacitores e inductores. Es tradición, ¿de acuerdo?)

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

¿El capacitor desperdicia energía en forma de calor?

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

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

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

Si puede modificar 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 tendrás alguna onda.

Si el zener desapareciera y la salida se dejara flotar... ¿se acercaría al 100% de eficiencia?

Buen ojo, el zener es la parte que más energía desperdicia 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 tan buena suposición), no se pierde energía en esos componentes. En funcionamiento normal, se pierde relativamente poca potencia en las resistencias de protección de seguridad. Dado que no hay otro lugar al que pueda ir la energía, un circuito tan idealizado le daría una eficiencia del 100 %. Pero también tendría alguna ondulación.Es posible que pueda seguir este circuito no-zener con un regulador de voltaje lineal para eliminar esa ondulación y aún así obtener una eficiencia neta superior al 75%.

La "ley" de que " un regulador de voltaje siempre tiene una eficiencia de$V_{out}/V_{in}$" solo se aplica a los reguladores lineales de CC a CC. 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 contrario a la intuición que desperdiciar algo de energía deliberadamente hace que el sistema funcione de manera más eficiente. (Otro circuito donde agregar un poco de resistencia hace que funcione 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 sea menos compleja que un regulador de conmutación de 2 transistores .

Me pregunto si modificar aún más el circuito agregando otro capacitor 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 según lo diseñado (proporciona un voltaje posiblemente constante) al consumir una potencia constante de la red de CA. Es una fuente de corriente alterna, a diferencia de una fuente de voltaje.

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

Sin embargo, dado que se extrae una energía constante de la red de CA, cualquier energía que no consuma la carga debe disiparse. Por eso se utiliza un diodo Zener; cualquier exceso de energía se disipa en forma de calor en el diodo Zener. Si fuera un regulador lineal, el voltaje de entrada subiría por encima de su V máximo hasta el punto en que se quemaría _. 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 del voltaje 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 se puede simplificar 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 consume realmente la carga.

Factor de potencia (PF):

He usado fuentes de alimentación capacitivas literalmente en miles de unidades, pero con diferentes valores (470 nF, 220 VCA). Nuestra fuente de alimentación consume alrededor de 0,9 vatios, pero alrededor de 7,2 VA (voltios-amperios). Tiene muy mal factor de potencia , pero en muy buen sentido. Dado que se comporta como un capacitor, ayuda a corregir (aproximar a 1) el mal PF de los motores, que se comportan como inductores y son la principal fuente de mal FP de la red. 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 capacitor 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 capacitor no tiene carga, por lo que actúa como un cortocircuito.

Resistencia de 2,2 Mohmios:

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

Condensador de 33 nF:

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

Diodos Rectificadores (Puente):

Deben explicarse por sí mismos, pero no son necesarios; un diodo será suficiente (en una configuración diferente menos eficiente pero más segura). La cuestión es que para que funcione la reactancia del capacitor de 33 nF, 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. Al usar un diodo y conectar correctamente los cables neutro y de fase, su circuito GND será CA neutro, lo que hará que la salida sea mucho más segura, pero tiene la desventaja de que solo en semiondas sinusoidales positivas se entregará corriente al condensador de 47 µF.

¡Usar el puente de diodos significa que la mitad del tiempo 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 puesta a tierra. También puede obtener dos salidas de voltaje usando solo dos diodos rectificadores, diodos zener y capacitores 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 hacia tierra y, por lo tanto, se transformará en calor.

Condensador de 47 µF:

Filtra la corriente sinusoidal entregada por el capacitor de 33 nF.

Para una mayor eficiencia, debe disminuir la resistencia de 47 ohmios a la corriente máxima que permitirá el zener cuando se conecta justo en el pico de CA y ajustar el capacitor de 33 nF lo más cerca posible de 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 . La ESR de una tapa de cerámica puede ser bastante alta 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 mire la corriente a través del diodo Zener. Básicamente, debe operarlos a una corriente de carga constante, algo en el rango de 10-15 mA por lo general para obtener una regulación razonable. A medida que aumenta su corriente, su ondulación aumentará mucho y la salida de voltaje comenzará a disminuir considerablemente.

En cuanto a sus preguntas:

¿Cómo reduce el voltaje el capacitor, de todos modos? ¿Desperdicia energía en forma de calor?

Básicamente, ha creado un conjunto de filtros de paso bajo de modo que con una resistencia de carga en el rango operativo que busca, su atenuación a 50 Hz es lo que sea necesario. A medida que cae la resistencia de carga (aumenta la corriente), 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 50 V, ¿se acercaría al 100% de eficiencia?

No, pierdes potencia en todos los diodos y en todas las resistencias. Si quita 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 capacitor no 'reduce' el voltaje, simplemente 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 el límite 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 cae significativamente mientras opera con energía del capacitor.

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

Si dejó el zener y trató de usarlo como un suministro no regulado, la eficiencia depende de la carga. Más corriente significa más disipación en esa resistencia en serie, significa menos eficiencia. Podría obtener una eficiencia cercana al 100% solo si solo estuviera extrayendo cantidades increíblemente pequeñas 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 782 mV.

Bueno, en realidad es bastante simple:

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

Su corriente máxima siempre será:

Y por cierto, si pones alguna carga, por debajo de la corriente máxima en el lado derecho del diodo Zener, tu$V_{in}$la corriente permanecerá exactamente igual... El diodo Zener se encarga de eso.

Aquí está la fórmula de TI para calcular la eficiencia: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2019/03/17/how-to-make-a-simple-nonmagnetic-ac-dc -fuente de alimentación

Esta es una calculadora de software muy agradable: http://www.miscel.dk/MiscEl/miscelLeds.html

Si la corriente es baja ~= 1mA, el "cuentagotas capacitivo" puede ser muy eficiente. Uso la calculadora de arriba, elijo R+C+D(AC) 110V/60Hz, LED drop:5V, R=330, C=0.033uF, eficiencia~=80%.