容量性電源はどれくらい効率的ですか？

このようなもの

Falstad simバージョン

（私は疲れている、私は間違いを犯し続けているので、もう一度すみません。）

現在、これらは分離が不十分なため、あまり安全なPSUではありません。しかし、密閉型ユニットでは、SMPSまたはトランスなしでマイクロコントローラーの供給電圧を得る安価な方法になります。

ツェナーと抵抗のため、100％効率的ではありません。しかし、いくつか質問があります。

1. とにかく、コンデンサはどのように電圧を下げるのですか？電力を熱として無駄にしますか？
2. ツェナーがなくなり、出力が50V付近でフロートする場合、100％の効率に近づきますか？

この回路は、「トランスレスACからDC電源」または「CRドロッパー回路」と呼ばれる回路のカテゴリーの1つです。その他の例については、 「Massmind：トランスレスACからDC電源」または 「Massmind：トランスレス容量性ブリード電力変換」または 「ST AN1476：家電製品用の低コスト電源」を参照してください。

このようなデバイスの力率は0に近いため、EN61000-3-2などのEUの力率法に適合しているかどうかは疑問です。さらに悪いことに、このようなデバイスが「方形波」または「修正正弦波」UPSに接続されている場合、主電源に接続されている場合よりもはるかに高い電力損失（ひどい効率）を持っています-この回路を構築する人がそうしない場合この追加電力を処理するのに十分な大きさの安全抵抗とツェナーを選択すると、過熱して故障する可能性があります。これらの2つの欠点は、一部のエンジニアが「CRドロッパー」手法を「危険で危険」と考える理由かもしれません。

コンデンサはどのように電圧を下げますか？

これを説明する方法はいくつかあります。1つの方法（おそらく最も直感的ではない）：

コンデンサの片方の脚が（安全抵抗器を介して）100 VAC以上で振動する「ホット」メインに接続されています。コンデンサのもう一方の足は、常に数ボルトの接地内にある何かに接続されています。入力がDCの場合、コンデンサは電流が流れるのを完全にブロックします。ただし、入力はACであるため、コンデンサは（静電容量に比例して）少量の電流を流します。コンポーネントの両端に電圧があり、コンポーネントに電流が流れるたびに、電子工学の人々はオームの法則を使用して実効インピーダンスを計算することに抵抗できません。

（通常、R = V / Iと言いますが、コンデンサとインダクタのインピーダンスについて話すときはZを使用するのが好きです。それは伝統でしょうか？）

そのコンデンサを、そのコンデンサの絶対インピーダンスZに等しい実インピーダンスRの「等価抵抗器」と交換すると、「同じ」（RMS AC）電流が元のコンデンサと同じ抵抗器を流れ、電源同じように機能します（このような「抵抗ドロッパー」電源の例については、ST AN1476を参照してください）。

コンデンサは電力を熱として無駄にしますか？

理想的なコンデンサは、電力を熱に変換することはありません。理想的なコンデンサに流れ込むすべての電気エネルギーは、最終的にコンデンサから電気エネルギーとして流れ出します。

実際のコンデンサには、少量の寄生直列抵抗（ESR）と寄生並列抵抗があるため、少量の入力電力が熱に変換されます。しかし、実際のコンデンサは、「等価抵抗器」が消費するよりもはるかに少ない電力を消費します（はるかに効率的です）。実際のコンデンサは、安全抵抗または実際のダイオードブリッジよりもはるかに少ない電力を消費します。

ツェナーがなくなって、出力が約50Vにフロートした場合...

負荷の抵抗を微調整したり、選択した静電容量が異なるもののドロップキャップを交換したりできる場合は、選択した電圧の近くで出力を強制的にフロートさせることができます。しかし、必然的にリップルが発生します。

ツェナーがなくなり、出力がフロートさせられた場合、100％の効率に近づきますか？

良い目-ツェナーは、この回路で最もエネルギーを浪費する部分です。 ここでのリニアレギュレータは、この回路の効率を大幅に改善します。

理想的なコンデンサ（これは適切な仮定）と理想的なダイオード（このような適切な仮定ではない）を仮定すると、これらのコンポーネントで電力が失われることはありません。通常の動作では、安全保護抵抗器で失われる電力は比較的わずかです。電力の供給先は他にないため、このような理想的な回路は100％の効率をもたらします。しかし、それはいくつかの波紋も持っています。 リニア電圧レギュレータを使用してこのノーツェナー回路をたどることで、そのリップルを除去し、75％を超える正味効率を得ることができます。

「電圧レギュレーターは常に効率を持つ$V_{out}/V_{in}$」という「法則」は、リニアDCからDCレギュレーターにのみ適用されます。この回路にはAC入力があるため、この法則はこの回路には適用されません。したがって、この回路はその「法則」が予測するよりもはるかに優れた効率を持つことができます。

編集：Dave Tweedは、単にツェナーをリニアレギュレータに置き換えるだけで、この回路全体の効率が低下すると指摘しています。

意図的に一部の電力を浪費すると、システムのパフォーマンスがより効率的になるのは直感に反します。（抵抗を少し追加すると性能が向上する別の回路： リニア電源トランスのリップル電流 ）。

この回路の効率を改善する他の方法がありますか、それは2トランジスタスイッチングレギュレータよりも複雑ではないのでしょうか？

ブリッジ整流器のACレッグに別のコンデンサを追加して回路をさらに変更すると、元のツェナー回路よりも効率的なものになるのではないかと思いますか？（つまり、このFalstadシミュレーションのような容量性分圧回路 ？）

この電源は、ACメインから一定の電力を消費することにより、設計どおりに機能します（ほぼ一定の電圧を提供します）。電圧源ではなく、AC電流源です。

したがって、DCに変換するには、ダイオードブリッジ、エネルギーアキュムレータ（コンデンサ）、および電圧レギュレータが必要です。

ただし、一定のエネルギーは主電源から引き出されるため、負荷によって消費されないエネルギーは消散する必要があります。そのため、ツェナーダイオードが使用されます。余分なエネルギーは、ツェナーダイオードで熱の形で消費されます。リニアレギュレータの場合、入力電圧は最大V _inを超えて燃え尽きるまで上昇します。また、AC幹線から引き出される電力量はAC電圧と周波数に依存するため（リアクタンスのため）、ツェナーダイオードはAC幹線電圧および/または周波数の変動において一定の電圧を維持するのにも役立ちます。

効率：

力率は電源の効率ではなく、V _out / V _inでもありません。効率はP _out / P _in =（V _out * I _out）（V _in * I _in）です。リニア電源では、I _outはI _in（I _qを破棄する場合）と同じと見なすことができるため、効率はV _out / V _inとして簡略化できます。ただし、容量性電源では、P _inは一定であるため、その効率は、負荷が実際に消費する利用可能な電力の量に完全に依存します。

力率（PF）：

文字通り数千単位の容量性電源を使用しましたが、値は異なります（470 nF、220 VAC）。私たちの電源は約0.9ワットを消費しますが、約7.2 VA（ボルトアンペア）です。力率は非常に悪いですが、非常に良い方法です。これはコンデンサとして動作するため、インダクタのように動作し、メインPFの不良の主な原因となるモーターの不良PFを修正する（1に近づける）のに役立ちます。いずれにしても、それはとにかく大きな違いをもたらさないほど低い電流です。

コンポーネントについて：

47オームの抵抗器：

その目的は、回路が最初に差し込まれたときに、コンデンサとツェナーダイオードを流れる電流を制限することです。AC電源は任意の角度（電圧）であり、コンデンサには電荷がないため、短絡として機能するためです。

2.2 Mohm抵抗器：

その目的は、33 nFのコンデンサを放電することです。これは、主電源を切断したときにコンデンサの電圧が任意の値になる可能性があるためです。そうでなければ、放電する経路はありませんが、誰かの指（それは私に何度か起こりました）。

33 nFコンデンサ：

一部の人が正しく述べているように、50または60 Hzの主電源でのリアクタンスの事実を利用することにより、分圧抵抗器を置き換えます。同等の抵抗器の熱の無駄はありませんが、代わりに電流対電圧の角度を変更します。

整流ダイオード（ブリッジ）：

一目瞭然ですが、必須ではありません。1つのダイオードで十分です（別の最も効率が悪いが、より安全な構成）。問題は、33 nFのコンデンサのリアクタンスが機能するためです。一方向に電流を流し、次に反対方向にまったく同じ電流を流す必要があります。

使用されるダイオードの数と構成は、多くのことに依存します。1つのダイオードを使用し、中性線と位相線を正しく接続すると、回路のGNDはAC中性になり、出力がより安全になりますが、正の半正弦波でのみ47 µFコンデンサに電流が供給されるという欠点があります。

ダイオードブリッジを使用するということは、半分の時間で負出力がニュートラルになり、残りの半分が主電源になることを意味します！もちろん、これはあなたが世界のどこにいるのか（文字通り）に依存します。非常に乾燥している国または地域では、接地の導電率が低いため、中性線なしで相間接続を使用する傾向があります。また、2つの整流ダイオード、ツェナーダイオード、47 µFコンデンサを使用して2つの電圧出力を得ることができます。

ツェナーダイオード：

その目的は、電源の出力で（ある程度）定電圧を維持することです。負荷によって消費されない過剰電流は、負荷を介してグランドに流れ、熱に変換されます。

47 µFコンデンサ：

33 nFコンデンサから供給される正弦波電流を除去します。

効率を高めるには、47オームの抵抗をACピークのすぐ近くに差し込むとツェナーが許容する最大電流まで減らし、必要な負荷電流に最も近い33 nFコンデンサを調整する必要があります。

しないでください。これらの回路は非常に危険です。

それらはかなり悪い効率を持っていますが、このような回路は非常に低い定常電流でしか動作できないため、それは実際には重要ではありません。ESRにより、すべての抵抗、ダイオード、およびコンデンサの一部で電力が失われます。セラミックキャップのESRは50 Hzで非常に高くなる可能性があります。

少なくともかさばるツェナーダイオードがなければ、これらの回路を開回路することはできません。負荷抵抗を取り外して、ツェナーダイオードを流れる電流を調べてください。基本的には、合理的なレギュレーションを得るために、一定の負荷電流、通常は10〜15 mAの範囲で動作させる必要があります。電流が増加すると、リップルが大幅に増加し、電圧出力が大幅に低下し始めます。

ご質問について：

とにかく、コンデンサはどのように電圧を下げるのですか？電力を熱として無駄にしますか？

基本的に、50 Hzでの減衰後に必要な動作範囲内の負荷抵抗で必要なローパスフィルターセットを構築しました。負荷抵抗が低下する（電流が増加する）と、この減衰は調整電圧が低下するポイントまで増加します。

時間の代わりに周波数領域で見た場合、回路はより意味があります。

ツェナーがなくなり、出力が50V付近でフロートする場合、100％の効率に近づきますか？

いいえ、すべてのダイオードとすべての抵抗で電力が失われます。ツェナーダイオードを取り外すと、基本的にすべての規制が失われます。電圧とリップルのレベルは、負荷抵抗によって大きく異なります。

ツェナーは、3.3V出力を提供するものです。コンデンサは電圧を「ステップダウン」せず、整流されたACがツェナー電圧を超えるたびに電荷を吸収し、整流されたACがそれより低い時間に負荷に給電します。負荷は10Kで、キャップは47uFであるため、0.47秒のRC定数は、ツェナーがオフのときにコンデンサがあまり放電しないことを意味します。つまり、コンデンサ電源で動作している間、負荷電圧が大幅に低下しません。

主要な電力の浪費は、すべての負荷（およびツェナー）電流を消費し、実質的にすべてのライン電圧を低下させるため、直列ドロップ抵抗になります。

ツェナーを止めて、これを無調整の電源として使用しようとした場合、効率は負荷に依存します。電流が増えると、その直列抵抗の損失が大きくなり、効率が低下します。非常にわずかな量の電流を引き込んでいる場合にのみ、100％近くの効率を得ることができます。この場合、電圧はラインRMS電圧の最大約1.4倍にも達します。

これが私が見ているシミュレーションです。AC側の瞬時の測定値は変動するため、あまり注意を払わないでください。

10kの負荷を1kの負荷に調整すると、782mVしか出力できません。

まあ、実際には非常に簡単です：

それがコンデンサのインピーダンスです。60または50 Hzで変化します。

最大電流は常に：

$V_{in}$