电容式电源的效率如何？

像这样

Falstad sim版本

（我很累，我一直在犯错误，所以请第二次原谅我。）

现在由于缺乏隔离，这些不是非常安全的PSU。但是在密封的单元中，它们可以是获得没有SMPS或变压器的微控制器电源电压的廉价方法。

由于齐纳和电阻，它们的效率不是100％。但是，我有几个问题。

1. 无论如何，电容器如何降低电压？它浪费电能作为热量吗？
2. 如果齐纳管消失了，并且让输出浮动在50V左右，效率会接近100％吗？

该电路是称为“无变压器交流到直流电源”或“ CR降压电路”的一种电路。有关其他示例，请参阅 “ Massmind：无变压器的交流到DC电源”或 “ Massmind：无变压器的电容泄放功率转换”或 “ ST AN1476：家用电器的低成本电源”。

这种设备的功率因数接近于0，这使其是否符合欧盟规定的功率因数法规（例如EN61000-3-2）成为疑问。更糟糕的是，当将这种设备插入“方波”或“改进的正弦波” UPS时，其功耗（效率较差）要比插入市电时高得多-如果构建此电路的人没有选择足够大的安全电阻和齐纳二极管来承受额外的功率，它们可能会过热并发生故障。这两个缺点可能就是为什么一些工程师认为“ CR滴管”技术“ 笨拙而危险 ”。

电容器如何降低电压？

有几种解释方法。一种方式（也许不是最直观的）：

电容器的一个分支（通过安全电阻）连接到“热”电源，该电源在超过100 VAC时振荡。电容器的另一端连接到始终在几伏特内的物体上。如果输入为直流电，则电容器将完全阻止任何电流流过。但是，由于输入为交流电，因此电容器允许少量电流流过（与电容成正比）。每当我们在组件两端有电压并且有电流流过该组件时，电子行业的人们就无法抗拒使用欧姆定律来计算有效阻抗：

（通常我们说R = V / I，但是在谈论电容器和电感器的阻抗时，我们喜欢使用Z。这是传统的方法，可以吗？）

如果用“等效电阻”代替该电容器，其实际阻抗R等于该电容器的绝对阻抗Z，则“相同”（RMS AC）电流将流过该电阻，就像流过原始电容器和电源一样的工作原理大致相同（有关此类“电阻器”电源的示例，请参见ST AN1476）。

电容器会浪费电能吗？

理想电容器永远不会将任何电能转化为热量-流入理想电容器的所有电能最终都会作为电能从电容器中流出。

真正的电容器具有少量的寄生串联电阻（ESR）和寄生并联电阻，因此，少量的输入功率会转换为热量。但是，与“等效电阻”相比，任何实际电容器的功耗（效率要高得多）要少得多。真正的电容器比安全电阻或真正的二极管电桥消耗的功率少得多。

如果齐纳管消失了，并且让输出浮动在50V左右...

如果您可以调整负载的电阻，或者用其他选择的电容将下降电容换成一个电容，则可以迫使输出浮空至接近您选择的任何电压。但是您不可避免地会有一些涟漪。

如果齐纳管消失了，输出浮动了……它会达到100％的效率吗？

眼睛好-齐纳管是在该电路中浪费最多能量的部分。 这里的线性稳压器将大大提高该电路的效率。

如果假设理想电容器（这是一个很好的假设）和理想二极管（不是一个很好的假设），那么这些组件中不会损失任何功率。在正常操作中，安全保护电阻中的功率损耗相对较小。由于电源无处可去，因此这种理想化的电路将为您带来100％的效率。但这也会引起一些涟漪。 您也许可以在线性稳压器之后使用该无齐纳电路，以消除该纹波，并且仍然可以获得超过75％的净效率。

$V_{out}/V_{in}$

编辑：戴夫·特威德（Dave Tweed）指出，仅用线性稳压器代替齐纳二极管实际上会使整个电路效率降低。

我发现故意浪费一些功率会使系统更高效地运行是违反直觉的。（另一个电路中增加一点电阻使其性能更好： 线性电源变压器中的纹波电流 ）。

我想知道是否还有其他方法可以提高该电路的效率，而这种方法没有2晶体管开关稳压器那么复杂？

我想知道是否通过在桥式整流器的AC腿两端增加另一个电容器来进一步修改电路，是否会产生比原始齐纳电路更高效的效果？（换句话说，像这种Falstad模拟的电容分压电路 ？）

该电源只能通过消耗交流电源的恒定功率来按设计工作（可以提供恒定的电压）。它是交流电流源，而不是电压源。

因此，您需要一个二极管电桥，一个蓄能器（电容器）和一个稳压器将其转换为直流电。

但是，由于从交流电源汲取了恒定的能量，因此必须消除负载未消耗的任何能量。这就是为什么使用齐纳二极管的原因。齐纳二极管会以热量的形式消散任何多余的能量。如果是线性稳压器，则输入电压将攀升至超过其最大V _in的水平，直至烧毁。并且由于从交流市电获取的电量取决于交流电压和频率（由于电抗），因此齐纳二极管还有助于在交流市电电压和/或频率变化的情况下保持恒定电压。

效率：

功率因数不是电源的效率，也不是V _out / V _in。效率为P _out / P _in =（V _out * I _out）（V _in * I _in）。在线性电源中，I _out可以视为与I _in相同（如果丢弃I _q），因此效率可以简化为V _out / V _in。但是，在电容式电源中，P _in是恒定的，因此其效率将完全取决于负载实际消耗的可用功率中的多少。

功率因数（PF）：

我已经使用了数千个电容式电源，但是电容值却不同（470 nF，220 VAC）。我们的电源消耗约0.9瓦，但约7.2 VA（伏安）。它的功率因数非常差，但效果很好。由于它起着电容器的作用，因此有助于纠正（接近1）电动机的不良PF，电动机的不良行为就像电感器，是不良主电源PF的主要来源。无论如何，它的电流是如此之低，以至于没有太大的区别。

关于组件：

47欧姆电阻：

其目的是在电路首次插入时限制流过电容器和齐纳二极管的电流，因为交流电源可以处于任何角度（电压），并且电容器没有电荷，因此它起着短路的作用。

2.2兆欧电阻器：

其目的是使33 nF电容器放电，因为在断开电源时电容器电压可以处于任何值。否则，除了别人的手指之外，它没有放电的路径（我已经发生过几次）。

33 nF电容器：

正如一些人正确地指出的那样，它们利用在50或60 Hz电源下的电抗这一事实来代替分压电阻。您不会浪费等效电阻的热量，而是可以改变电流与电压的夹角。

整流二极管（桥）：

应该是不言自明的，但是没有必要；一个二极管就足够了（在另一种效率最低但更安全的配置中）。问题是要使33 nF电容器的电抗起作用，则需要电流在一个方向上流动，然后需要完全相同的电流在相反方向上流动。

使用多少个二极管以及哪种配置取决于很多因素。当使用一个二极管并正确连接中性线和相线时，电路的GND将为AC中性线，从而使输出更加安全，但是它的缺点是，仅在正半正弦波上，电流会流至47 µF电容器。

使用二极管电桥意味着负输出一半时间为零线，另一半为电源相位！当然，这全都取决于您在世界上的位置（从字面上看）。非常干燥的国家或地区倾向于使用相线连接而不使用中性线，因为它们的接地导电率很低。您还可以仅使用两个整流二极管，齐纳二极管和47 µF电容器获得两个电压输出。

齐纳二极管：

其目的是在电源的输出端保持（一定）恒定的电压。负载没有消耗的任何多余电流都将流过它接地，从而转化为热量。

47 µF电容器：

它过滤掉由33 nF电容器提供的正弦电流。

为了获得更高的效率，您需要将47欧姆电阻减小至齐纳二极管在交流电峰值处插入时允许的最大电流，并将33 nF电容器调整为最接近所需的确切负载电流。

不要做 这些电路确实非常危险。

它们的效率很差，但实际上并不重要，因为这样的电路只能在非常低的稳定电流下工作。由于ESR，所有电阻，二极管和电容器中的一些功率都会损失。陶瓷盖的ESR在50 Hz时可能会很高。

您不能打开这些电路的电路，至少不能没有笨重的齐纳二极管，去掉负载电阻并查看流过齐纳二极管的电流。您基本上必须在恒定的负载电流下运行它们，通常在10-15 mA的范围内才能获得合理的调节。随着电流的上升，纹波将增加很多，并且电压输出将开始严重下降。

关于您的问题：

无论如何，电容器如何降低电压？它浪费电能作为热量吗？

基本上，您已经构建了一个低通滤波器组，以使在工作范围内具有负载电阻时，只要达到50 Hz的衰减就可以了。随着负载电阻下降（电流增加），此衰减会增加到稳压电压下降的程度。

如果您查看频域而不是时间，则该电路将更加有意义。

如果齐纳管消失了，并且让输出浮动在50V左右，效率会接近100％吗？

不，您会失去所有二极管和所有电阻的功率。如果删除齐纳二极管，则基本上会失去所有调节能力。电压和纹波电平将随负载电阻而变化很大。

齐纳二极管为您提供3.3V输出。电容器不会“降压”电压，只要整流后的交流电恰好超过齐纳电压，它就会吸收电荷，并在整流后的交流电小于此电压时向负载供电。由于您的负载仅为10K，上限为47uF，因此0.47秒的RC常数意味着在齐纳二极管关闭时电容器不会放电太多，这意味着在使用电容器电源工作时，负载电压不会明显下降。

主要的功率浪费因素是串联下降电阻，因为它吸收了所有负载（和齐纳）电流，并且实际上降低了所有线路电压。

如果您不使用齐纳管并尝试将其用作不受管制的电源，则效率取决于负载。更大的电流意味着该串联电阻的耗散更多，意味着效率更低。仅在仅消耗极少的电流的情况下，您才能获得接近100％的效率，在这种情况下，电压也将达到线RMS电压的约1.4倍。

这是我正在查看的模拟。交流侧的瞬时读数当然会波动，因此不要太在意。

如果将10k负载调整为1k负载，我只能输出782mV。

好吧，实际上很简单：

那就是你的电容器阻抗。它以60或50 Hz改变。

您的最大电流将始终为：

$V_{in}$