幾個最簡單實用的電容降壓原理分析

　　將交流市電轉(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波,當受體積和成本等因素的限制時,最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源.

　　采用電容降壓時應(yīng)注意以下幾點:

　　1 根據(jù)負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當?shù)碾娙?而不是依據(jù)負載的電壓和功率.

　　2 限流電容必須采用無極性電容,絕對不能采用電解電容.而且電容的耐壓須在400V以上.最理想的電容為鐵殼油浸電容.

　　3 電容降壓不能用于大功率條件,因為不安全.

　　4 電容降壓不適合動態(tài)負載條件.

　　5 同樣,電容降壓不適合容性和感性負載.

　　6 當需要直流工作時,盡量采用半波整流.不建議采用橋式整流.而且要滿足恒定負載的條件.

　　電路一,

　　這一類的電路通常用于低成本取得非隔離的小電流電源。它的輸出電壓通?？稍趲追饺龓资Q于所使用的齊納穩(wěn)壓管。所能提供的電流大小正比于限流電容容量。采用半波整流時，每微法電容可得到電流(平均值)為：(國際標準單位)

　　I(AV)=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C

　　=0.44*220*2*3.14*50*C=30000C

　　=30000*0.000001=0.03A=30mA

　　如果采用全波整流可得到雙倍的電流(平均值)為：

　　I(AV)=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C

　　=0.89*220*2*3.14*50*C=60000C

　　=60000*0.000001=0.06A=60mA

　　一般地，此類電路全波整流雖電流稍大，但是因為浮地，穩(wěn)定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。

　　使用這種電路時，需要注意以下事項：

　　1、未和220V交流高壓隔離，請注意安全，嚴防觸電!

　　2、限流電容須接于火線，耐壓要足夠大(大于400V)，并加串防浪涌沖擊兼保險電阻和并放電電阻。

　　3、注意齊納管功耗，嚴禁齊納管斷開運行。

　　電路二,

　　最簡單的電容降壓直流供電電路及其等效電路如圖1，C1為降壓電容，一般為0.33~3.3uF。假設(shè)C1=2uF，其容抗XCL=1/(2PI*fC1)=1592。由于整流管的導通電阻只有幾歐姆，穩(wěn)壓管VS的動態(tài)電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻RL一般為100~200，而濾波電容一般為100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。若用R代表除C1以外所有元器件的等效電阻，可以畫出圖的交流等效電路。同時滿足了XC1>R的條件,所以可以畫出電壓向量由于R甚小于XC1，R上的壓降VR也遠小于C1上的壓降，所以VC1與電源電壓V近似相等，即VC1=V。根據(jù)電工原理可知：整流后的直流電流平均值Id,與交流電平均值I的關(guān)系為Id=V/XC1。若C1以uF為單位，則Id為毫安單位，對于22V，50赫茲交流電來說，可得到Id=0.62C1。

　　由此可以得出以下兩個結(jié)論：(1)在使用電源變壓器作整流電源時，當電路中各項參數(shù)確定以后，輸出電壓是恒定的，而輸出電流Id則隨負載增減而變化;(2)使用電容降壓作整流電路時，由于Id=0.62C1,可以看出，Id與C1成正比，即C1確定以后，輸出電流Id是恒定的，而輸出直流電壓卻隨負載電阻RL大小不同在一定范圍內(nèi)變化。RL越小輸出電壓越低，RL越大輸出電壓也越高。C1取值大小應(yīng)根據(jù)負載電流來選擇，比如負載電路需要9V工作電壓，負載平均電流為75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF?？紤]到穩(wěn)壓管VD5的的損耗，C1可以取1.5uF，此時電源實際提供的電流為Id=93毫安。

　　穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值應(yīng)等于負載電路的工作電壓，其穩(wěn)定電流的選擇也非常重要。由于電容降壓電源提供的的是恒定電流，近似為恒流源，因此一般不怕負載短路，但是當負載完全開路時，R1及VD5回路中將通過全部的93毫安電流，所以VD5的最大穩(wěn)定電流應(yīng)該取100毫安為宜。由于RL與VD5并聯(lián)，在保證RL取用75毫安工作電流的同時，尚有18毫安電流通過VD5，所以其最小穩(wěn)定電流不得大于18毫安，否則將失去穩(wěn)壓作用。

　　限流電阻取值不能太大，否則會增加電能損耗，同時也會增加C2的耐壓要求。如果是R1=100歐姆，R1上的壓降為9.3V,則損耗為0.86瓦,可以取100歐姆1瓦的電阻。

　　濾波電容一般取100微法到1000微法,但要注意其耐亞的選擇.前已述及,負載電壓為9V,R1上的壓降為9.3V,總降壓為18.3V,考慮到留有一定的余量,因此C2耐壓取25V以上為好。

　　電路三,

　　如圖-1，C1 為降壓電容器，D2 為半波整流二極管，D1 在市電的負半周時給C1 提供放電

　　回路，D3 是穩(wěn)壓二極管R1 為關(guān)斷電源后C1 的電荷泄放電阻。在實際應(yīng)用時常常采用的是圖-2的所示的電路。當需要向負載提供較大的電流時，可采用圖-3 所示的橋式整流電路。整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會高于30 伏，并且會隨負載電流的變化發(fā)生很大的波動，這是因為此類電源內(nèi)阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應(yīng)用場合。

　　器件選擇

　　1.電路設(shè)計時，應(yīng)先測定負載電流的準確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因為通過降壓電容C1 向負載提供的電流Io，實際上是流過C1 的充放電電流Ic。C1 容量越大，容抗Xc 越小，則流經(jīng)C1 的充、放電電流越大。當負載電流Io 小于C1 的充放電電流時，多余的電流就會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax 小于Ic-Io 時易造成穩(wěn)壓管燒毀。

　　2.為保證C1 可*工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。

　　3.泄放電阻R1 的選擇必須保證在要求的時間內(nèi)泄放掉C1 上的電荷。

　　設(shè)計舉例

　　圖-2 中，已知C1 為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負載的最大電流。

　　C1 在電路中的容抗Xc 為：

　　Xc=1 /(2 πf C)= 1/(2*3.14*50*0.33*10-6)= 9.65K

　　流過電容器C1 的充電電流(Ic)為：

　　Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

　　通常降壓電容C1 的容量C 與負載電流Io 的關(guān)系可近似認為：C=14.5 I，其中C 的容量單位是μF，Io 的單位是A。

　　電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應(yīng)用上要特別注意隔離，防止觸電。

　　整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會高于30伏,并且會隨負載電流的變化發(fā)生很大的波動,這是因為此類電源內(nèi)阻很大的緣故所致,故不適合大電流供電的應(yīng)用場合.

　　電容降壓式電源是一種非隔離電源,在應(yīng)用上要特別注意隔離,防止觸電

　　電容降壓的工作原理并不復(fù)雜.他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流.例如,在50Hz的工頻條件下,一個1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆.當220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過電容的最大電流約為70mA.雖然流過電容的電流有70mA,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗,應(yīng)為如果電容是一個理想電容,則流過電容的電流為虛部電流,它所作的功為無功功率.根據(jù)這個特點,我們?nèi)绻谝粋€1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件,則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性.例如,我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯(lián),在接到220V/50Hz的交流電壓上,燈泡被點亮,發(fā)出正常的亮度而不會被燒毀.因為110V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA,它與1uF電容所產(chǎn)生的限流特性相吻合.同理,我們也可以將5W/65V的燈泡與1uF電容串聯(lián)接到220V/50Hz的交流電上,燈泡同樣會被點亮,而不會被燒毀.因為5W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA.因此,電容降壓實際上是利用容抗限流.而電容器實際上起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色.