如何在不使用變壓器的情況下設(shè)計大功率系統(tǒng)

在沒有笨重，昂貴且笨重的變壓器的情況下，電源的構(gòu)造是電子學上的挑戰(zhàn)，并為有趣的解決方案提供了空間。讓我們看看如何在不使用變壓器的情況下設(shè)計大功率系統(tǒng)。

不帶變壓器的電源使用電容電抗理論來降低輸入的交流市電電壓。實際上，應(yīng)該記住，電網(wǎng)提供230 VAC（或110 VAC，取決于居住國家/地區(qū)）的交流電壓，并且輸出電壓必須連續(xù)且盡可能水平。

對于低功率應(yīng)用而言，沒有任何問題，但是對于大電流而言，電源的效率可能會降低?；靖拍罴性谑褂?a href="http://ttokpm.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓電容器將電源電壓降低到所需水平上。電路輸出端可用的電流與電容器的電抗成正比（當然也與電容器的容量成正比）。因此，可以簡單地通過并聯(lián)連接多個電容器或使用容量非常大的電容器來增加該電流。但是，存在初始峰值電流相當高的風險，這可能會導致嚴重的問題。

原理圖

圖1顯示了無變壓器電源的示意圖，該電源將電壓從230 VAC降低到12 VDC，理論輸出為1A。該原型僅用于在電源上進行實驗，不能用于敏感系統(tǒng)，例如醫(yī)療或安全設(shè)備。實際上，入口與出口之間沒有隔離。但是，對于一般應(yīng)用程序，其功能得到了保證。所使用的電子組件如下：

C1：33,000 μF極化電解電容器，25 VL

C2：≥400 V，10 μF的非極化聚酯電容器

C3：≥400 V，10 μF的非極化聚酯電容器

D1：二極管1N4007

D2：12V，3W齊納二極管

D3：二極管1N4007

D4：二極管1N4007

D5：二極管1N4007

D6：二極管1N4007

D7：二極管1N4007

D8：二極管1N4007

D9：二極管1N4007

D10：二極管1N4007

D11：二極管1N4007

D12：二極管1N4007

D13：二極管1N4007

R1：1Ω電阻，5 W

R2：10Ω電阻;它是負載，不小于10Ω

R3：470kΩ電阻，1 W

R4：1Ω電阻，5 W

R5：200mA保險絲

每個電子組件都有其自己的特定功能。該電路遵循非常具體的機制工作：

230 VRMS交流電通過C2和C3形成的限制器。R3具有在電路未通電時使電容器放電的功能。

1N4007二極管超級電橋（D10，D11，D6，D7，D1，D4，D3，D5，D9，D8，D12和D13）對電壓進行整流，將負半波轉(zhuǎn)換為正波。二極管數(shù)量眾多，可以分流功率，減少熱量并保持在組件制造商規(guī)定的范圍內(nèi)。

如果在交流信號過零時電容器的阻抗非常低，R1和R4會稍微限制電流。

200 mA R5保險絲可保護齊納二極管免受過量電流的影響。萬一加載失敗，可能會發(fā)生這種情況。該電路假定恒定存在10Ω負載。

圖1：不帶變壓器的12V和1A電源接線圖

電流，電壓和功率分析

現(xiàn)在讓我們檢查電路在其正常操作期間的動態(tài)操作。必須從一開始就將10Ω負載連接到系統(tǒng)。在大約1秒的短暫瞬變（高容量電解電容器C1充電的時間）后激活電源。如圖2所示，輸出端以及負載上的電壓穩(wěn)定在12V。

圖2：電源工作期間負載上存在的12V電壓

從這一刻起，負載（10Ω）承受的電流約為1.2 A，吸收電流為14.3W?，F(xiàn)在，讓我們檢查最關(guān)鍵組件上的電壓，電流和功率值。聚酯電容器C2和C3上的電壓相當高，零峰值約為320 V，如圖3的波形圖所示。因此，不能使用200 VL的非極化電容器，但是必須使用該值。至少為400 VL，如果為630 VL則更好。該電容組的總電容為20 μF。

圖3：輸入限制聚酯電容器上的電壓

取而代之的是，圖4中的曲線圖顯示了在每個單個二極管1N4007上流過的電流。它的數(shù)據(jù)表指出，即使脈沖電流更大，該組件可以承受的最大電流也等于1A。在任何情況下，它都在最大限制之內(nèi)，這恰恰是因為使用了大量并聯(lián)連接的半導體組件。

圖4：流過每個二極管的電流都包含在該組件支持的最大限值之內(nèi)。

齊納二極管上的峰值電流為150 mA，平均值為34 mA，RMS為63 mA。因此，在出口處插入正確的負載后，該組件將保持冷狀態(tài)，并且可以正常工作而不會出現(xiàn)任何問題。如圖1所示，安全電阻R1和R4都為1Ω，幾乎與2 A零峰值的正弦電流相交，該電流的RMS值約為1.4 A，因此這些組件的耗散最小必須大約為3W。該電流（以及這些電阻上的相對電壓）的波形不是完美的正弦波，但由于二極管的壓降，在零通過時會有一種抵消作用-實際上，一種交集失真。

圖5：流過安全電阻R1和R4的電流

輸出端的紋波信號

如圖6所示，紋波是完全可以接受的。它的峰峰值約為92 mV，相當于0.75％，這對于不太復雜的負載類型來說是一個超過可接受的值。紋波頻率當然等于100 Hz。

圖6：輸出信號受最小紋波信號影響。

當心切斷電路

當電路關(guān)閉時，電容器C2和C3可能會保持很長時間的充電，因此，必須格外小心。因此，建議將470kΩ電阻與這些高壓電容器并聯(lián)，如接線圖所示。在正常工作條件下，它的功耗約為110 mW，因此不會影響電路的正常工作。但是，在沒有電的情況下，該電阻器會在大約50秒內(nèi)使電容器完全放電，但是20秒后，電路將不再具有危險性（請參見圖7中的圖表）。

圖7：當電路關(guān)閉時，與電容器C2和C3并聯(lián)的電阻R3使它們放電。

效率

電路效率并不是支持這種電源的要點之一。過多的散熱會大大降低最終產(chǎn)量。效率的簡化計算提供了輸出功率和輸入功率之間的關(guān)系：

從中

最終效率為69％。我們當然不能談最大效率。

這種電源的實現(xiàn)不方便

考慮到所有潛在的問題，我們可以說用傳統(tǒng)或開關(guān)式變壓器實現(xiàn)電源比在這些頁面上設(shè)置電路更方便（請參見圖8中的實現(xiàn)示例）。負面影響很多，可以歸納如下：

高容量，高壓聚酯電容器的成本與小型1A變壓器的成本相當，甚至更高。此外，電解電容器的花費很大。

電路未與輸入網(wǎng)絡(luò)隔離；因此，這有潛在的危險。此外，部件的分離或破損可能導致整個裝置的損壞。

效率不是很高，因此不方便進行這么多的妥協(xié)。

最大輸出電流約為1A。對于需要20 A或30 A的電阻性或電感性負載，我們還有很長的路要走。

圖8：不帶變壓器的電源的實際可行實現(xiàn)

結(jié)論

無變壓器電源電路有許多缺點，不能用于精密和關(guān)鍵的目的。這些電路無法提供大電流，并且輸出未與高壓輸入隔離。除了通過50 Hz或60 Hz的交流電以外，還會通過電壓峰值，還會產(chǎn)生大的電流消耗，電容器可能會對整個電路造成危險。無論如何，了解作為這種電源基礎(chǔ)的理論總是有用的，即使在實踐中選擇這種解決方案也不方便。

編輯：hfy