Guten Morgen, ich beschäftige mich gerade etwas mit dem Thema Kondensatornetzteil und deren Wirkungsgrad. In LTSpice habe ich so eine Standardschaltung simuliert (sihe Anhang). Meine Frage ist, warum der Wirkungsgrad steigt, wenn ich C1 erhöhe. Ich habe zwei Messungen gemacht. Einmal mit C1 100n und C1 150n. Bei 100n komme ich auf einen Wirkungsgrad von 46%. Ich habe die Gesamtleistung von R5 durch die Gesamtleistung von V1 geteilt. Bei 150n komme ich auf 51%. Wieso steigt der Wirkungsgrad, wenn ich C1 erhöhe? Zum Thema Wirkungsgrad ist es schwer was zu finden. Oder ist meine Betrachtung falsch? Vielen Dank.
Bernd Stromberg schrieb: > In LTSpice habe ich so eine Standardschaltung simuliert (sihe Anhang). Nimm doch besser richtige Dioden.
Bei 150nF ist die Ausgangsspannung höher als bei 100nF, deswegen entstehen prozentual weniger Verluste in den Widerständen des Kondensatornetzteils.
Ein Brückengleichrichter-Kondensatornetzteil, das nur einen Stromverbraucher wie eine LED versorgt, hätte einen guten Wirkungsgrad. Da man aber mit einem Vorwiderstand dafür sorgen muss, dass der Aufladestrom des Kondensators wenn man im Scheitelpunkt der Netzspannung einschaltet nicht den zulässigen Spitzenstrom der Dioden übersteigt, handelt man sich einen Verlust ein. Verwendet man nur Einweggleichrichtung sind schon 50% Verlust +na ja, je nach Durchlasspannung in Gegenrichtung). Will man gar eine Konstantspannungslast versorgen in dem man nach dem Gleichrichter mit Elko und Z-Diode stabilisiert, ist aller Strom den die Last nicht braucht Verlust, man muss aber den Strom so einstellen dass selbst bei maximaler Stromaufnahme genug fliesst, und dabei bedenken, dass der Mittelwert 1.1mal kleiner ist als der rms-Wert. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann man eine kleinere Ausgangsspannung nutzen. So ist es schlau, eine Elektronik nur mit 3.3V zu versorgen, und ein Relais dazu in Reihe, das dann, weil es nur genau so viel Strom wie die Elektronik brauchen soll, eine eher höhere Spannung hat, sagen wir 24V, zum ausschalten zu überbrücken in dem man es mit einem Transistor kurzschliesst. Sinkt die Ausgangsspannung des Kondensatornetzteils bei gleichem oder sogar leicht höheren Strom, sinkt die reelle Last.
>prozentual weniger Verluste in den Widerständen
Die Spannung über den Widerständen steigt. Die Spannung über den Dioden
bleibt gleich - lässt sich alleine damit der Unterschied von 46% auf 51%
erklären?
Da schlage ich vor, du entfernst zuerst mal R3, R4 D5, D6 und C2. Dann berechnest du die Wirkleistung an allen Widerständen und Dioden. Da an C1 keine Wirkleistung abfällt, muss die Summe 100% der Leistung von V1 ergeben. Hast du alle Zahlen für 100n und 150n durch gerechnet, wird herauskommen, alle absoluten Zahlen werden grösser, aber die prozentualen Verhältnisse ändern sich.
Bernd Stromberg schrieb: > In LTSpice habe ich so eine Standardschaltung simuliert (sihe Anhang). Kannst du die Schaltung vielleicht auch mal als Bilddatei reinstellen, damit sich auch Leute ohne deine Softwareausstattung beteiligen können?
Ich habe nur das Bild erzeugt und das Layout etwas verändert. Ist ja nicht meine Schaltung.
Abdul K. schrieb: > Ich habe nur das Bild erzeugt und das Layout etwas verändert. Ist > ja > nicht meine Schaltung. Schon klar, ich wollte nur Bernd nochmals darauf hinweisen.
hinz schrieb: > Schon klar, ich wollte nur Bernd nochmals darauf hinweisen. Abdul K. schrieb: > Echte Dioden ändert nix wesentliches. Eben. Es geht hier ja nur um irgendwelche Wirkungsgrade, die sich aus einem Verhältnis ergeben.
Wenn die 48V Zenerspannung erreicht würden, müsste der Verlust bei kleinerem C1 geringer sein, weil Nutzspannung und damit Nutzleistung gleich bliebe, aber weniger Strom durch R1 und R2 fließt. R1 und R2 machen den größten Teil der Verluste aus. Um den Wirkungsgrad zu verbessern könntest du R1 verkleinern und R2 durch eine Drossel bzw Induktivität ersetzen, um Stromspitzen durch schnelle Spannungsänderungen zu verringern.
Ich sehe das Problem nicht. Der maximal fließende Strom wird vom kapazitiven Blindwiderstand des Kondensators bestimmt. Da wird keine Diode gefährdet, weil es keinen Überstrom gibt. Der große Vorwiderstand ist überflüssig, weil viel zu groß. Ein kleiner Sicherungswiderstand genügt. Je größer der Kondensator, desto größer der Strom. Genaueres erhält man durch Rechnung mit Impedanzen. Ein Netzteil ohne Vorwiderstand hat einen guten Wirkungsgrad, besonders bei kleinen Strömen. Gruß - Werner
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Bernd Stromberg schrieb: > Abdul K. schrieb: >> Echte Dioden ändert nix wesentliches. > > Eben. Es geht hier ja nur um irgendwelche Wirkungsgrade, die sich aus > einem Verhältnis ergeben. Naja. Das ist eher ne Diskussion für SPICE-Insider. Hier mal der Vergleich. Ist schon ein großer Unterschied. Bei anderen Bauelementen wie npn oder jfet ist es noch krasser. Nimm besser echte Typen!!
Abdul K. schrieb: > Naja. Das ist eher ne Diskussion für SPICE-Insider. Hier mal der > Vergleich. Ist schon ein großer Unterschied. Bei anderen Bauelementen > wie npn oder jfet ist es noch krasser. Nimm besser echte Typen!! Schon klar, aber mich interessiert die Frage warum der Wirkungsgrad besser wird, wenn ich 150n statt 100n einbaue. Da ist es doch egal ob ich Dioden oder nen Schlitten einbaue. Die Berechnung ändert sich nicht. Jobst Q. schrieb: > R1 und R2 machen den größten Teil der Verluste aus. Um den Wirkungsgrad > zu verbessern könntest du R1 verkleinern und R2 durch eine Drossel bzw > Induktivität ersetzen, um Stromspitzen durch schnelle > Spannungsänderungen zu verringern. Ne Drossel? In einem realen Netzteil? Wo der Widerstand weit aus günstiger ist als eine Induktivität? Werner H. schrieb: > Der große Vorwiderstand ist überflüssig, weil viel zu groß. Ein kleiner > Sicherungswiderstand genügt. Einschaltstrombegrenzung für das Netzteil. Ist notwendig.
Bernd Stromberg schrieb: > Abdul K. schrieb: >> Naja. Das ist eher ne Diskussion für SPICE-Insider. Hier mal der >> Vergleich. Ist schon ein großer Unterschied. Bei anderen Bauelementen >> wie npn oder jfet ist es noch krasser. Nimm besser echte Typen!! > > Schon klar, aber mich interessiert die Frage warum der Wirkungsgrad > besser wird, wenn ich 150n statt 100n einbaue. Da ist es doch egal ob > ich Dioden oder nen Schlitten einbaue. Die Berechnung ändert sich nicht. > Hm. Weil der differentielle Widerstand der Zenerdiode bei höherem Strom geringer wird. U*I=P Ich denke du meinst mit Wirkungsgrad dann Wirkleistung. Den Rest hat vermutlich MaWin schon erklärt. Ich lese es nicht nochmal. Habs nur überflogen.
Bernd Stromberg schrieb: > Ne Drossel? In einem realen Netzteil? Wo der Widerstand weit aus > günstiger ist als eine Induktivität? Die paar Cent holst durch einen besseren Wirkungsgrad bald wieder rein. Außerdem kommt dich die Zeit, hier Fragen zu stellen, sowieso viel teurer.
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Bernd Stromberg schrieb: > Bei 100n > komme ich auf einen Wirkungsgrad von 46%. Ich habe die Gesamtleistung > von R5 durch die Gesamtleistung von V1 geteilt. Bei 150n komme ich auf > 51%. Das ist schon mal seltsam: wenn ich die von dir angehängte Simu laufen lasse, komme ich beide male auf andere Werte des Wirkungsgrads (65% bzw. 75%).
Bernd Stromberg schrieb: > Werner H. schrieb: >> Der große Vorwiderstand ist überflüssig, weil viel zu groß. Ein kleiner >> Sicherungswiderstand genügt. > > Einschaltstrombegrenzung für das Netzteil. Ist notwendig. Einschaltstrombegrenzung ist hier der falsche Begriff. Hier wird ja kein Elko auf Netzspannung geladen wie bei Schaltnetzteilen. Es geht nur um schnelle Spannungswechsel im Netz, die der Kondensator nahezu ungehindert durchlässt. Ein Einschalten im Maximum gehört natürlich auch dazu, aber auch hochfrequente Störungen. Diese Impulse sind aber sehr kurzzeitig, deshalb reichen auch kleine preisgünstige Funkentstördrosseln.
Das Verhältnis der Kondensatoren bestimmt die Kurvenform der Nachladespitzen, aka Crest-Faktor, und damit mit die Verluste im Vorwiderstand.
> Das Verhältnis der Kondensatoren bestimmt die Kurvenform der > Nachladespitzen, aka Crest-Faktor, und damit mit die Verluste im > Vorwiderstand. Es gibt hier keine Nachladespitzen wie beim klassischen Netzteil mit Ladekondensator, es gibt Nachladelücken (wg. der Begrenzung auf die Spannung der Z-Dioden). Unterstellt, die Spannung an diesen ist annähernd konstant, ist es die Nutzleistung am Verbraucher R5 ebenfalls. Ein kleinerer Kondensator C1 bewirkt dann einen kleineren arithmetischen bzw. Effektivstrom, so dass dann weniger Verlustleistung ausserhalb des Verbrauchers R5 anfällt und der Wirkungsgrad grösser ist.
Elektrofan schrieb: > (wg. der Begrenzung auf die > Spannung der Z-Dioden). Gibts bei der Schaltung des TE nicht, es werden keine 48V erreicht.
Achim S. schrieb: > Das ist schon mal seltsam: wenn ich die von dir angehängte Simu laufen > lasse, komme ich beide male auf andere Werte des Wirkungsgrads (65% bzw. > 75%). Integrier mal von Beginn an, dann solltest du auf mein Ergebnis kommen. Aber vllt sollte ich über deine Grenzen auch nochmal integrieren. Elektrofan schrieb: > Ein kleinerer Kondensator C1 bewirkt dann einen kleineren arithmetischen > bzw. Effektivstrom, so dass dann weniger Verlustleistung ausserhalb des > Verbrauchers R5 anfällt und der Wirkungsgrad grösser ist. Aber es ist ja gerade so, dass ein größerer C1 einen besseren Wirkungsgrad liefert.
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Ich komme auf andere Effizienzwerte. Habe extra nochmal die default-Diode reingesetzt.
> Gibts bei der Schaltung des TE nicht, es werden keine 48V erreicht.
Egal, der Wirkungsgrad ist in beiden Fällen ähnlich gross,
grob gerechnet:
1.) C1=100nF:
Ieff≈ 7,22 mA => Iarith≈ 6,50 mA
Verluste in R1,R2: Pv1≈ (7,22mA)² * 1360Ω = 71 mW
Verluste in R3,R4: Pv2≈ (230V)² / 1,2MΩ = 44 mW
Diodenverluste: Pv3≈ 6,50mA * 1,4V = 9 mW
Leistung an R5: P2 ≈ (6,5mA)² * 2880Ω = 122 mW
η≈ P2/(Pv1+Pv2+Pv3+P2)= 50 %
2.) C1=150nF:
Ieff≈ 10,8 mA => Iarith≈ 9,75 mA
Verluste in R1,R2: Pv1≈ (10,8mA)² * 1360Ω = 159 mW
Verluste in R3,R4: Pv2≈ (230V)² / 1,2MΩ = 44 mW
Diodenverluste: Pv3≈ 9,75mA * 1,4V = 14 mW
Leistung an R5: P2 ≈ (9,75mA)² * 2880Ω = 274 mW
η≈ P2/(Pv1+Pv2+Pv3+P2)= 56%
Bernd Stromberg schrieb: > Integrier mal von Beginn an, dann solltest du auf mein Ergebnis kommen. Sorry, war tatsächlich mein Fehler. Ich habe bei der Quelle die Spannung einer Gleichrichterdiode mitgemessen. Bernd Stromberg schrieb: > Aber es ist ja gerade so, dass ein größerer C1 einen besseren > Wirkungsgrad liefert. Wurde oben schon von jemand anders angedeutet: größerer Kondensator gibt größeren Strom, und damit steigt gleichermaßen die Leistung in R5 und die Verluste in R1, R2. Aber die Verluste in R3, R4 bleiben einigermaßen konstant (39mW), so dass die Leistung in der Last relativ zu den Gesamtverlusten ansteigt.
Bernd Stromberg schrieb: > Ne Drossel? In einem realen Netzteil? Wo der Widerstand weit aus > günstiger ist als eine Induktivität? Ich verbaue seit längerer Zeit kleine Drosseln in Kondensatornetzteile. Allerdings kosten mich diese praktisch nichts (ausgebaut). Mittlerweile würde ich zu diesem Zweck aber wohl sogar welche kaufen, falls sie mir doch mal ausgehen würden. Ganz real. Die paar Cent amortisieren sich doch baldigst.
Die Verluste der Entladewiderstände R3,R4 hatte ich erst (um 15:38) ausser Acht gelassen.
Yalu X. schrieb: > Bei 150nF ist die Ausgangsspannung höher als bei 100nF, deswegen > entstehen prozentual weniger Verluste in den Widerständen des > Kondensatornetzteils. Ja, ganz so trivial ist das Problem wohl doch nicht, wie ich jetzt eingesehen habe ;-) Deswegen habe die Schaltung mal etwas genauer analysiert mit dem Ergebnis (was auch Elektrofan herausgefunden hat), dass R3 und R4 für die Erhöhung des Wirkungsgrads bei Vergrößerung von C1 verantwortlich sind. Der Gesamtstrom teilt sich auf den Zweig mit C1 und den Zweig mit R3+R4 auf. Ist C1 klein, dann fließt der größte Anteil des Stroms über die Widerstände und verursacht dort Verlustleistung. Wird C1 vergrößert, fließt ein größerer Anteil des Stroms durch C1, wo nur Blindleistung entsteht. Man kann das auch leicht rechnerisch nachweisen, wenn man die Dioden und C2 weglässt, die Schaltung also als Wechselspannungsnetzteil betreibt. Übrigens: Lässt man R3 und R4 weg, führt die Vergrößerung von C2 zu einer leichten Verminderung des Wirkungsgrads.
Yalu X. schrieb: > Ja, ganz so trivial ist das Problem wohl doch nicht, wie ich jetzt > eingesehen habe ;-) > > Deswegen habe die Schaltung mal etwas genauer analysiert mit dem > Ergebnis (was auch Elektrofan herausgefunden hat), dass R3 und R4 für > die Erhöhung des Wirkungsgrads bei Vergrößerung von C1 verantwortlich > sind. Der Gesamtstrom teilt sich auf den Zweig mit C1 und den Zweig mit > R3+R4 auf. Ist C1 klein, dann fließt der größte Anteil des Stroms über > die Widerstände und verursacht dort Verlustleistung. Wird C1 vergrößert, > fließt ein größerer Anteil des Stroms durch C1, wo nur Blindleistung > entsteht. Man kann das auch leicht rechnerisch nachweisen, wenn man die > Dioden und C2 weglässt, die Schaltung also als Wechselspannungsnetzteil > betreibt. > > Übrigens: > > Lässt man R3 und R4 weg, führt die Vergrößerung von C2 zu einer leichten > Verminderung des Wirkungsgrads. Guten Morgen und Danke! Wenn ich so darüber nachdenke ist das schon einleuchtend. Vielen Dank für eure Hilfe.
Es gibt also eine optimale Kombination der Werte. Übrigens habe ich gerade entdeckt, daß LTspice den Multiplikator % für Prozent versteht. %=0.01 Man kann also z.B. schreiben: .ic V(out)=50% Im Waveform-Viewer gehts auch.
Abdul K. schrieb: > Es gibt also eine optimale Kombination der Werte. > > Übrigens habe ich gerade entdeckt, daß LTspice den Multiplikator % für > Prozent versteht. %=0.01 > Man kann also z.B. schreiben: .ic V(out)=50% > Im Waveform-Viewer gehts auch. Ich hätte nie gedacht, dass ich das mal sage, aber LTSpice ist ein tolles Programm, wenn man weiß wie man damit umgeht und was es alles kann. Erstaunlich ist auch, dass Realität und Simulation teilweise Hand in Hand gehen.
> Erstaunlich ist auch, dass Realität und Simulation teilweise Hand in > Hand gehen. Der Fachmann staunt, und der Laie wundert sich. ;-)
Bernd Stromberg schrieb: > Erstaunlich ist auch, dass Realität und Simulation teilweise Hand in > Hand gehen. Elektrofan schrieb: > Der Fachmann staunt, und der Laie wundert sich. ;-) Nun ja, die Formulierung "...auch, inwieweit doch tatsächlich/ wirklich/ unglaublicherweise nun doch, Realität... (streiche"teilweise")" wäre vielleicht etwas weniger aufwühlend für die Allgemeinheit gewesen. ;-)
Bernd Stromberg schrieb: > Erstaunlich ist auch, dass Realität und Simulation teilweise Hand in > Hand gehen. Mit Realität hat das ganze wenig zu tun. Der Wirkungsgrad ist nur deshalb höher, weil die "Nutzleistung" an R5 über doppelt so groß ist. In der Realität fragt man sich erst, wieviel Spannung, Strom oder Leistung gebraucht wird und dimensioniert danach die Schaltung. Wenn an der Last nur etwa 122 mW gebraucht würde, wäre bei größerem C1 trotz "höherem Wirkungsgrad" die Verlustleistung größer.
Der Wirkungsgrad wird nicht kleiner oder größer. Ein Kondensatornetzteil ist ein Parallelregler. Klar kann man den Querstrom optimieren. Aber wen stört das? Der Zähler sieht das sowieso nicht.
michael_ schrieb: > Ein Kondensatornetzteil ist ein Parallelregler. Ein Netzteil ist kein Regler, es kann höchstens einen Regler enthalten. Ein Kondensatornetzteil ist eine Stromquelle, keine Spannungsquelle. Nur wenn man aus der Stromquelle eine (schlechte) Spannungsquelle machen will, braucht man einen (Parallel)regler. > Aber wen stört das? Der Zähler sieht das sowieso nicht. Der Zähler sieht nur nicht die Blindleistung am Kondensator, reelle Leistung an ohmschen Widerständen sieht er sehr wohl.
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