電容降壓式電源原理和常見3種電路圖解析

在常用的低壓電源中，用電容器降壓（實(shí)際是電容限流）與用變壓器相比，電容降壓的電源體積小、經(jīng)濟(jì)、可靠、效率高，缺點(diǎn)是不如變壓器變壓的電源安全。通過電容器把交流電引入負(fù)載中，對地有220V電壓，人易觸電，但若用在不需人體接觸的電路內(nèi)部電路電源中，本弱點(diǎn)也可克服。如冰箱電子溫控器或遙控電源的開/關(guān)等電源都是用電容器降壓而制作的。相對于電阻降壓，對于頻率較低的50Hz交流電而言，在電容器上產(chǎn)生的熱能損耗很小，所以電容器降壓更優(yōu)于電阻降壓。

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(shí)，每微法電容可得到電流(平均值)為：(國際標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)楦〉?，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(shí)，需要注意以下事項(xiàng)：

1、未和220V交流高壓隔離，請注意安全，嚴(yán)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(xiǎn)電阻和并放電電阻。

3、注意齊納管功耗，嚴(yán)禁齊納管斷開運(yùn)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(dǎo)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(fù)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(shí)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(yuǎn)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(gè)結(jié)論：(1)在使用電源變壓器作整流電源時(shí)，當(dāng)電路中各項(xiàng)參數(shù)確定以后，輸出電壓是恒定的，而輸出電流Id則隨負(fù)載增減而變化;(2)使用電容降壓作整流電路時(shí)，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(fù)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(fù)載電流來選擇，比如負(fù)載電路需要9V工作電壓，負(fù)載平均電流為75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF。考慮到穩(wěn)壓管VD5的的損耗，C1可以取1.5uF，此時(shí)電源實(shí)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(fù)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(fù)載短路，但是當(dāng)負(fù)載完全開路時(shí)，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(shí)，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(shí)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(fù)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(fù)半周時(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)常常采用的是圖-2的所示的電路。當(dāng)需要向負(fù)載提供較大的電流時(shí)，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(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動，這是因?yàn)榇祟愲娫磧?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(jì)時(shí)，應(yīng)先測定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因?yàn)橥ㄟ^降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io，實(shí)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(dāng)負(fù)載電流Io小于C1的充放電電流時(shí)，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(shí)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(shí)間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。

設(shè)計(jì)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(fù)載的最大電流。

C1在電路中的容抗Xc為：

Xc=1/(2πfC)=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(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為：C=14.5I，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。使用時(shí)需注意以下事項(xiàng)：

1、根據(jù)負(fù)載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當(dāng)?shù)碾娙荩皇且罁?jù)負(fù)載的電壓和功率。

2、未和220V交流高壓隔離，請注意安全，嚴(yán)防觸電！電容降壓不能用于大功率條件，因?yàn)椴话踩?/p>

3、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(xiǎn)電阻和并放電電阻。

4、電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先測定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因?yàn)橥ㄟ^降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io，實(shí)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(dāng)負(fù)載電流Io小于C1的充放電電流時(shí)，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(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀。

5、限流電容必須采用無極性電容，絕對不能采用電解電容。且電容耐壓須在400V以上。最理想的電容為鐵殼油浸電容。為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。

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

7、電容降壓不適合動態(tài)負(fù)載條件。同樣，電容降壓不適合容性和感性負(fù)載。當(dāng)需要直流工作時(shí)，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(fù)載的條件。

審核編輯：劉清