在不使用變壓器的大功率系統(tǒng)設計中應注意什么？

不帶變壓器的電源使用容抗理論來降低輸入交流電網(wǎng)電壓。實際上，應記住，電網(wǎng)提供230VAC（或110VAC，取決于居住國家）的交流電壓，而輸出電壓必須連續(xù)且盡可能平整。

對于小功率應用不會有任何問題，但是對于大電流情況，電源的效率可能會降低。其基本理念主要是使用高壓電容器將電網(wǎng)電壓降低到所需水平。電路輸出端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輸出電流。但是，這樣做有可能產(chǎn)生非常大的初始峰值電流，進而導致嚴重問題。

原理圖

圖1給出了無變壓器電源的示意圖，該電源將電壓從230VAC降低到12VDC，理論輸出電流為1A。這個原型僅用于對電源進行實驗，不能用于敏感系統(tǒng)，例如醫(yī)療或安全設備。實際上，其輸入和輸出之間沒有隔離。但是，對于一般的應用，其功能可以保證。所使用的電子元器件如下：

C1：33,000μF、25VL極化電解電容器

C2：≥400V、10μF的非極化聚酯電容器

C3：≥400V、10μF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、5W電阻

R2：10Ω電阻——負載電阻，不小于10Ω

R3：470kΩ、1W電阻

R4：1Ω、5W電阻

R5：200mA熔斷器

每個電子元器件都有其特定的功能。該電路的工作機制非常明確：

230VRMS交流電通過C2和C3所組成的限幅器。R3可以在電路未上電時對電容器放電。

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，將負半波轉換為正半波。這里的二極管數(shù)量非常多，這樣可以分散功率、減少熱量，從而使其保持在元器件制造商所規(guī)定的范圍內(nèi)。

R1和R4用于稍微限制電流，以防在交流信號過零期間電容器的阻抗非常低。

200mA R5熔斷器用于保護齊納二極管免受過大電流的影響。如果負載發(fā)生故障，則有可能遇到這種情況。該電路假定恒定存在10Ω負載。

圖1：無變壓器的12V、1A電源接線圖

電流、電壓和功率分析

現(xiàn)在來檢查一下電路在其正常工作期間的動態(tài)工作情況。必須從一開始就將10Ω負載連接到系統(tǒng)。在經(jīng)過大約1s（大容量電解電容器C1充電的時間）的短時瞬變之后，電源開始工作。如圖2所示，這時輸出端及負載上的電壓穩(wěn)定在12V。

圖2：電源工作期間負載上的電壓為12V

從這一刻起，負載（10Ω）流過的電流約為1.2A，也即吸收功率為14.3W?，F(xiàn)在來檢查一下最關鍵元器件的電壓、電流和功率值。聚酯電容器C2和C3上的電壓相當高，峰值電壓約為320V，如圖3的波形圖所示。因此，不能使用200VL的非極化電容器，而必須將這個值提高到至少400VL，如果是630VL則更好。該電容組的總電容為20μF。

圖3：輸入限幅聚酯電容器上的電壓

相反，圖4所示的曲線圖顯示了每個二極管1N4007上流過的電流。1N4007的數(shù)據(jù)手冊指出，即使脈沖電流更大，但該器件所能承受的最大電流等于1A。在任何情況下，它都在最大限值以內(nèi)，這恰恰是因為并聯(lián)使用了大量半導體器件。

圖4：流過每個二極管的電流都控制在該器件所支持的最大限值以內(nèi)

齊納二極管上的峰值電流為150mA，平均值為34mA，有效值（RMS）為63mA。因此，在輸出處插入正確的負載后，該器件保持在低溫狀態(tài)，可以正常工作而不會有任何問題。如圖5所示，流過安全電阻R1和R4（都為1Ω）的電流近似為2A峰值的正弦波。其RMS值約為1.4A，因此這兩個器件的最小功耗大約為3W。該電流的波形（以及這兩個電阻上的相對電壓波形）不是完美的正弦波，而是由于二極管的壓降，在過零點處會產(chǎn)生抵消——實際上是種交越失真。

圖5：流過安全電阻R1和R4的電流

輸出處的紋波信號

如圖6所示，紋波在可接受的水平。其峰-峰值約為92mV，對應于0.75%，這對于不太復雜的負載類型來說是個完全可接受的值。當然，紋波頻率等于100Hz。

圖6：輸出信號受紋波信號的影響很小

關閉電路要小心

當電路關閉時，電容器C2和C3可能會保持很長時間的充電狀態(tài)，因此必須格外小心。因此，建議將470kΩ的電阻與上述高壓電容器并聯(lián)，如圖1的接線圖所示。在正常工作條件下，其功耗約為110mW，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50s內(nèi)使電容器完全放電，而在20s后，電路就不再具有危險性（請參見圖7中的曲線圖）。

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

效率

此電路的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)出。以下簡化的效率計算給出了輸出功率和輸入功率之間的關系：

因此，

最終的效率為69%——我們當然不能談最大效率。

這種電源的實現(xiàn)并不方便

考慮到所有潛在的問題，可以說用傳統(tǒng)或開關式變壓器實現(xiàn)電源比用這種方式設置電路更方便（見圖8中的實現(xiàn)示例）。負面影響很多，可以總結如下：

大容量、高電壓聚酯電容器的成本與1A小型變壓器的成本相當，甚至更高。此外，電解電容器的成本很高。

電路未與輸入網(wǎng)絡隔離，因此會有潛在的危險。此外，有一個元件脫落或損毀，就可能導致整個設備發(fā)生損壞。

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，這與需要20A或30A的電阻性或電感性負載相去甚遠。

圖8：無變壓器電源設計的一種可能實施圖

結論

無變壓器電源電路有許多缺點，不能用于精密和關鍵用途。這種電路無法提供大電流，并且輸出未與高壓輸入隔離。除了會出現(xiàn)電壓峰值以外，由于50Hz或60Hz的交流電，電容器還可能會吸收大電流，因此對整個電路存在潛在危險。無論如何，雖然在實踐中選擇這種解決方案不太方便，但是了解這種電源的基礎理論總是有用的。


文章來源：ednchina

編輯：ymf