コンデンサによるトランスレス電源

質問

ＡＣ１００Ｖラインから小容量コンデンサーのリアクタンスを利用して低圧電源を作るトランスレス電源の回路がありますが、たとえばそれに２０ｍＡ流した場合の話しです。

この回路は、１００Ｖｘ２０ｍＡｘ力率で２Ｗ近く消費するという意見と、コンデンサーはバケツリレーで電気を送っているので、消費電力は負荷の電圧ｘ２０ｍＡだという意見があります。

たしかに１００Ｖ２０ｍＡながせば２Ｗととも思えるのですが、この回路で２０ｍＡのＬＥＤ一本を点けた場合に、２Ｗ消費するとして差の電力はどこに消えるのでしょうか？　抵抗で電圧を落しているならジュール熱でわかりますがこの場合はどうなるのでしょう。

回答No.4

pen2san · ベストアンサー

#3です、

ご自宅でインダクタンス成分が多い機材をご使用でしたら力率改善になります。
しかし、パソコンやステレオ、インバータタイプのエアコンや冷蔵庫は中にコンデンサーが入っており（スイッチングレギュレータタイプの機器）、その場合はいそうが進んでいる場合が考えられます。　よって、最近では同相のノイズフィルターの構造を変更しインダクタンス成分が入る様に指導されています。

今回のケースでも計算上はわずかに力率が変わりますが、電力料金に跳ね返るほどの効果は期待できないと思います。

お礼

何度も、回答していただいてありがとうございました。

回答No.3

pen2san

まず、理想的な（直流損失の無い）コンデンサーをAC100Vに接続した場合を考えます。この場合、容量に関係なく発熱はゼロです。

また、「コンデンサーはバケツリレーで送っている」と言う考え方も間違っています。

交流回路では、皮相電力、実効電力、無効電力と言う三通りの電力があります。皮相電力とは単なる電圧と電流の掛算で、この場合は100Vに20mAの電流を流している訳ですから2VA（単位はワットではありません。）です。
LEDに20mA流すのであればAC100Vのコードにも20ｍA流れます。（但し、この際の電流の定義がピーク電流なのか、平均電流なのか、実効電流なのかあいまいですが、コンデンサーとLEDは直列接続であり、LEDを流れる電流はAC100Vから流れてきます。）

では、この場合の力率を考えますと、全体の98％程度（LEDの順方向降下電圧を2Vとすると）ですから、力率は概算で0.02（つまり電流の位相が89度位進んでいる。）となります。

よって、この回路は実効電力40ｍW程度と呼べそうですが、ここに無理があります。
実際に試して見られれば分かりますが、このままではLEDが壊れるか、壊れなくて電源の繋いだ際にはLEDが点灯しますがすぐに暗くなります。
理由はLEDの整流作用で、コンデンサーには一方向の電流しか流れずコンデンサーの電極に直流成分が発生するからです。
破損する可能性は、LEDに逆方向に100V（141V？）の電圧がかかる為の破壊です。
これを防ぐ為にはLEDと並列にダイオードかLEDを逆接続する必要があります。

もう一つ、電圧源から自宅までの間の送電線や配電線等の直流抵抗分、インダクタンス成分等を考慮しないと正確な実験はできないかも知れません。その前に、商用電源はきれいな正弦波ではないのでそちらの方が大きいかも。
あとはコンデンサーのESRですが、今回使用するコンデンサーが通常のオイルコンデンサーだと数オーム以下と想像します。

因みに、この場合、電流は20mA（つまり抵抗だと2W）流れているにも関わらず、積算電力計は40mW/hで積算されます。

お礼

なるほど、いきとどいたご説明ありがとうございました。
試すとしてもご指摘のようにＬＥＤ２本以上で交互に発光か、整流して発光になると思います。明るさを考えると整流してからですね。
気になっていたのが消費電力と発熱でした。その疑問は解消されました。ありがとうございました。

補足

この場合、無効電力は交流側に戻るということですが、家庭などは蛍光灯やモーターの負荷がほとんどなので、この回路そのものの力率は悪いが、トータルでは家庭の交流電力消費の力率改善となるのでしょうか？

たとえば、産業用には受電設備に力率改善のコンデンサーを投入する装置などあるようですが。

回答No.2

ikkyu3

交流回路の電力と力率の基本ですね。

「１００Ｖｘ２０ｍＡｘ力率で２Ｗ」が皮相電力です。
「負荷の電圧ｘ２０ｍＡ」が有効電力です。
「コンデンサの端子電圧ｘ２０ｍＡ」が無効電力です。

ただしコンデンサの内部抵抗は無視しています。

有効電力のみが消費電力になりジュール熱となります。

お礼

明解な、ご回答ありがとうございます。とても参考になりました。昼休みに電力調べてだいぶ解りました。

補足

この場合、無効電力は交流側に戻るということですが、家庭などは蛍光灯やモーターの負荷がほとんどなので、この回路そのものの力率は悪いが、トータルでは家庭の交流電力消費の力率改善となるのでしょうか？

たとえば、産業用には受電設備に力率改善のコンデンサーを投入する装置などあるようですが。

回答No.1

unos1201

コンデンサーの使用により、位相差分は無効電流となり、位相差に応じてコンデンサーでの発熱として消え去ります。

電源の１００Vは電流電圧がほぼ同相であるのにコンデンサーは９０度位相差ができます。じっさいは、LEDのリアクタンスがコンデンサーと逆相に働くので、完全に９０度でなく８６度とかそのくらいの位相差になると思います。
すると、約４５度相当分の４０から６０％はコンデンサーの位相のずれによる無効な電力として、消費されます。

交流回路ではベクトルで、コイルのリアクタンス分とコンデンサーのキャパシティー分を損失としなくては計算できません。

多分、３．２ワットから４ワット程度消費するのではないでしょうか。結構ロスがあります。

お礼

どうも、ご回答ありがとうございます。
発熱については他の方と、ご意見が異なりましたが、参考になりました。