Quelle est l'efficacité d'une alimentation capacitive?

Quelque chose comme ça

Version sim de Falstad

(Je suis fatigué, je continue de faire des erreurs, alors veuillez m'excuser pour la deuxième fois.)

Maintenant, ce ne sont pas des blocs d'alimentation très sûrs, en raison du manque d'isolement. Mais dans des unités scellées, elles peuvent être un moyen bon marché d'obtenir la tension d'alimentation d'un microcontrôleur sans SMPS ou transformateur.

Ils ne sont pas efficaces à 100% en raison du zener et des résistances. Mais, j'ai plusieurs questions.

1. Comment le condensateur diminue-t-il la tension, de toute façon? Est-ce que cela gaspille de l'énergie sous forme de chaleur?
2. Si le zener avait disparu et que la sortie laissait flotter autour de 50V, approcherait-il 100% d'efficacité?

Ce circuit fait partie d'une catégorie de circuits appelée «alimentation sans courant alternatif à continu sans transformateur» ou «circuit de dérivation CR». Pour d'autres exemples, voir «Massmind: alimentation sans courant alternatif à continu sans transformateur» ou «Massmind: conversion de puissance de prélèvement capacitive sans transformateur» ou «ST AN1476: alimentation électrique à faible coût pour les appareils électroménagers» .

Un tel appareil a un facteur de puissance proche de 0, ce qui permet de se demander s'il est conforme aux lois sur les facteurs de puissance imposées par l'UE, telles que EN61000-3-2. Pire encore, lorsqu'un tel appareil est branché sur un onduleur à "onde carrée" ou à "onde sinusoïdale modifiée", il a une dissipation de puissance beaucoup plus élevée (efficacité pire) que lorsqu'il est branché sur le secteur - si la personne qui construit ce circuit ne le fait pas choisissez des résistances de sécurité et des zener suffisamment grandes pour gérer cette puissance supplémentaire, elles peuvent surchauffer et tomber en panne. Ces deux inconvénients peuvent expliquer pourquoi certains ingénieurs considèrent la technique du "compte-gouttes CR" " douteuse et dangereuse ".

Comment le condensateur diminue-t-il la tension?

Il existe plusieurs façons d'expliquer cela. Une façon (peut-être pas la plus intuitive):

Une branche du condensateur est reliée (via une résistance de sécurité) au secteur "chaud" qui oscille à plus de 100 VAC. L'autre jambe du condensateur est connectée à quelque chose qui est toujours à quelques volts de terre. Si l'entrée était CC, le condensateur bloquerait complètement tout courant qui le traverserait. Mais comme l'entrée est CA, le condensateur laisse passer une petite quantité de courant (proportionnelle à sa capacité). Chaque fois que nous avons une tension aux bornes d'un composant et un courant qui le traverse, nous, les électroniciens, ne pouvons pas résister au calcul de l'impédance effective en utilisant la loi d'Ohm:

(Normalement, nous disons R = V / I, mais nous aimons utiliser Z lorsque nous parlons de l'impédance des condensateurs et des inductances. C'est la tradition, OK?)

Si vous remplacez ce condensateur par une "résistance équivalente" avec une impédance réelle R égale à l'impédance absolue Z de ce condensateur, le "même" courant (RMS AC) circulerait à travers cette résistance comme à travers votre condensateur d'origine et l'alimentation fonctionnerait à peu près de la même manière (voir ST AN1476 pour un exemple d'une telle alimentation "dropper de résistance").

Le condensateur gaspille-t-il de l'énergie sous forme de chaleur?

Un condensateur idéal ne convertit jamais aucune puissance en chaleur - toute l'énergie électrique qui circule dans un condensateur idéal s'écoule finalement du condensateur sous forme d'énergie électrique.

Un vrai condensateur a de petites quantités de résistance série parasite (ESR) et de résistance parallèle parasite, donc une petite quantité de la puissance d'entrée est convertie en chaleur. Mais tout condensateur réel dissipe beaucoup moins d'énergie (beaucoup plus efficace) qu'une dissipation équivalente. Un vrai condensateur dissipe beaucoup moins d'énergie que les résistances de sécurité ou un véritable pont de diodes.

Si le zener avait disparu et que la sortie flottait autour de 50V ...

Si vous pouvez modifier la résistance de votre charge ou remplacer le capuchon de chute par un avec une capacité différente de votre choix, vous pouvez forcer la sortie à flotter à près de la tension que vous choisissez. Mais vous aurez inévitablement une certaine ondulation.

Si le zener avait disparu et que la sortie laissait flotter ... approcherait-il 100% d'efficacité?

Bon œil - le zener est la partie qui gaspille le plus d'énergie dans ce circuit. Un régulateur linéaire ici améliorerait considérablement l'efficacité de ce circuit.

Si vous supposez des condensateurs idéaux (ce qui est une bonne hypothèse) et des diodes idéales (pas une si bonne hypothèse), aucune alimentation n'est perdue dans ces composants. En fonctionnement normal, relativement peu de puissance est perdue dans les résistances de protection de sécurité. Puisqu'il n'y a pas d'autre endroit où aller pour la puissance, un tel circuit idéalisé vous donnerait une efficacité de 100%. Mais cela aurait aussi une certaine ondulation. Vous pourrez peut-être suivre ce circuit sans zener avec un régulateur de tension linéaire pour éliminer cette ondulation et toujours obtenir une efficacité nette supérieure à 75%.

La "loi" selon laquelle " un régulateur de tension a toujours une efficacité de$V_{out}/V_{in}$ " ne s'applique qu'aux régulateurs linéaires CC à CC. Cette loi ne s'applique pas à ce circuit, car ce circuit a une entrée CA, et donc ce circuit peut avoir une bien meilleure efficacité que ne le prévoit cette "loi".

EDIT: Dave Tweed souligne que le simple remplacement du zener par un régulateur linéaire rend ce circuit global moins efficace.

Je trouve contre-intuitif que gaspiller délibérément de l'énergie rend le système plus performant. (Un autre circuit où l'ajout d'un peu de résistance le rend plus performant: le courant d'ondulation dans un transformateur d'alimentation linéaire ).

Je me demande s'il y a une autre façon d'améliorer l'efficacité de ce circuit, qui est moins complexe qu'un régulateur de commutation à 2 transistors ?

Je me demande si une modification supplémentaire du circuit en ajoutant un autre condensateur sur les jambes AC du pont redresseur pourrait entraîner quelque chose de plus efficace que le circuit zener d'origine? (En d'autres termes, un circuit diviseur capacitif comme cette simulation Falstad ?)

Cette alimentation ne fonctionne que comme prévu (fournit une tension sans doute constante) en consommant une alimentation constante du secteur. Il s'agit d'une source de courant alternatif, par opposition à une source de tension.

Vous avez donc besoin d'un pont de diodes, d'un accumulateur d'énergie (condensateur) et d'un régulateur de tension pour le transformer en courant continu.

Cependant, étant donné qu'une énergie constante est tirée du secteur CA, toute énergie non consommée par la charge doit être dissipée. C'est pourquoi une diode Zener est utilisée; tout excès d'énergie est dissipé sous forme de chaleur dans la diode Zener. Si elle était un régulateur linéaire, la tension d'entrée se monter au-dessus de son V maximum _dans le point où il brûle. Et parce que la quantité d'énergie tirée du réseau CA dépend de la tension et de la fréquence CA (en raison de la réactance), la diode Zener aide également à maintenir une tension constante dans la variance de la tension et / ou de la fréquence du réseau CA.

Efficacité:

Le facteur de puissance n'est pas l'efficacité de l'alimentation et ni est - il V _sur / V _en . L'efficacité est P _out / P _in = (V _out * I _out ) (V _in * I _in ). Dans une alimentation linéaire, I _out pourrait être considéré comme identique à I _in (si vous jetez I _q ) et donc l'efficacité peut être simplifiée comme V _out / V _in . Dans une alimentation capacitive, cependant, P _in est constant, donc son efficacité dépendra totalement de la quantité d'énergie disponible que la charge consomme réellement.

Facteur de puissance (PF):

J'ai utilisé des alimentations capacitives dans des milliers d'unités, mais avec des valeurs différentes (470 nF, 220 VAC). Notre alimentation consomme environ 0,9 watt, mais environ 7,2 VA (Volt-Ampère). Il a un très mauvais facteur de puissance , mais d'une très bonne manière. Puisqu'il se comporte comme un condensateur, il aide à corriger (rapprocher de 1) le mauvais PF des moteurs, qui se comportent comme des inductances et sont la principale source de mauvais PF du réseau. Dans tous les cas, c'est un courant si faible qu'il ne fait pas beaucoup de différence de toute façon.

Concernant les composants:

Résistance 47 ohms:

Son but est de limiter le courant à travers le condensateur et la diode Zener lorsque le circuit est branché pour la première fois, car le secteur CA peut être à n'importe quel angle (tension) et le condensateur n'a pas de charge, il agit donc comme un court-circuit.

2.2 Résistance Mohm:

Son but est de décharger le condensateur 33 nF, car la tension du condensateur peut être à n'importe quelle valeur lorsque vous déconnectez le secteur. sinon, il n'aurait aucun chemin pour se décharger mais les doigts de quelqu'un (cela m'est arrivé plusieurs fois).

Condensateur 33 nF:

Comme certains l'ont correctement dit, ils remplacent une résistance de diviseur de tension en exploitant le fait de leur réactance au secteur 50 ou 60 Hz. Vous n'obtenez pas le gaspillage de chaleur d'une résistance équivalente, mais changez plutôt l'angle du courant par rapport à la tension.

Rectification des diodes (pont):

Devrait être explicite, mais ils ne sont pas nécessaires; une diode suffira (dans une configuration différente, moins efficace mais plus sûre). Le problème est que la réactance du condensateur 33 nF fonctionne, vous avez besoin d'un courant circulant dans une direction, puis du même courant circulant dans la direction opposée.

Le nombre de diodes utilisées et la configuration dépendent de beaucoup de choses. Lorsque vous utilisez une diode et que vous connectez correctement les fils de neutre et de phase, votre circuit GND sera neutre AC, ce qui rend la sortie beaucoup plus sûre, mais il a l'inconvénient que seules les demi-ondes sinusoïdales positives seront délivrées au condensateur 47 µF.

L'utilisation du pont de diodes signifie que la moitié du temps la sortie négative est neutre, l'autre moitié c'est la phase secteur! Bien sûr, tout dépend de l'endroit où vous vous trouvez dans le monde (littéralement). Les pays ou régions très sèches ont tendance à utiliser des connexions phase à phase sans neutre en raison de la faible conductivité de leur terre. Vous pouvez également obtenir deux sorties de tension en utilisant seulement deux diodes de redressement, des diodes zener et des condensateurs de 47 µF.

Diode Zener:

Son but est de maintenir une tension (quelque peu) constante à la sortie de l'alimentation. Tout courant excédentaire non consommé par la charge le traversera jusqu'à la terre et sera ainsi transformé en chaleur.

Condensateur 47 µF:

Il filtre le courant sinusoïdal délivré par le condensateur 33 nF.

Pour une efficacité plus élevée, vous devez réduire la résistance de 47 ohms au courant maximum que le zener permettra lorsqu'il est branché directement au pic de courant alternatif et régler le condensateur 33 nF le plus proche du courant de charge exact dont vous avez besoin.

Ne le fais pas; ces circuits sont vraiment assez dangereux.

Ils ont une très mauvaise efficacité, mais cela n'a pas vraiment d'importance car un circuit comme celui-ci ne peut fonctionner qu'avec un courant constant très faible. Vous perdez de l'énergie dans toutes les résistances, les diodes et certaines dans les condensateurs en raison de l' ESR . L'ESR d'un capuchon en céramique peut être assez élevé à 50 Hz.

Vous ne pouvez pas ouvrir le circuit de ces circuits, du moins pas sans une diode Zener encombrante , retirez la résistance de charge et regardez le courant à travers la diode Zener. Vous devez essentiellement les faire fonctionner à un courant de charge constant, quelque chose dans la plage de 10 à 15 mA, généralement pour obtenir une régulation raisonnable. Au fur et à mesure que votre courant augmente, votre ondulation augmentera beaucoup et la tension de sortie commencera à s'affaisser fortement.

Quant à vos questions:

Comment le condensateur diminue-t-il la tension, de toute façon? Est-ce que cela gaspille de l'énergie sous forme de chaleur?

Fondamentalement, vous avez construit un ensemble de filtres passe-bas de telle sorte qu'avec une résistance de charge dans la plage opérationnelle, vous recherchez son atténuation à 50 Hz. Lorsque la résistance de charge diminue (le courant augmente), cette atténuation augmente au point où votre tension régulée chute.

Le circuit aura beaucoup plus de sens si vous regardez dans le domaine fréquentiel au lieu du temps.

Si le zener avait disparu et que la sortie laissait flotter autour de 50V, approcherait-il 100% d'efficacité?

Non, vous perdez de l'énergie dans toutes les diodes et toutes les résistances. Si vous retirez la diode Zener, vous perdez pratiquement toute la régulation; la tension et le niveau d'ondulation varieraient fortement avec la résistance de la charge.

Le zener est ce qui vous donne la sortie 3,3 V. Le condensateur n'abaisse pas la tension, il absorbe simplement une charge chaque fois que le courant alternatif redressé dépasse la tension zener et alimente la charge pendant les périodes où le courant alternatif redressé est inférieur à cela. Étant donné que votre charge n'est que de 10K et que le plafond est de 47uF, la constante RC de 0,47 seconde signifie que le condensateur ne se décharge pas beaucoup lorsque le zener est éteint, ce qui signifie que la tension de charge ne s'affaisse pas de manière significative tout en fonctionnant sur la puissance du condensateur.

Le principal gaspilleur de puissance serait la résistance de chute en série, car elle prend tout le courant de charge (et zener) et chute pratiquement toute la tension de ligne.

Si vous avez laissé le zener et avez essayé de l'utiliser comme une alimentation non réglementée, l'efficacité dépend de la charge. Plus de courant signifie plus de dissipation dans cette résistance série, signifie moins d'efficacité. Vous pourriez obtenir une efficacité proche de 100% uniquement si vous ne consommiez que des quantités de courant incroyablement minuscules, auquel cas la tension augmenterait également jusqu'à environ 1,4 fois la tension RMS de la ligne.

Voici la simulation que je regarde. Ne faites pas trop attention aux lectures instantanées du côté AC car elles sont bien sûr fluctuantes.

Si j'ajuste la charge de 10k à une charge de 1k, je ne peux sortir que 782mV.

Eh bien, c'est assez simple en fait:

C'est l'impédance de votre condensateur. Il change avec 60 ou 50 Hz.

Votre courant maximum sera toujours:

$V_{in}$