淺談阻容降壓電路計算

阻容降壓

阻容降壓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，因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。

采用電容降壓時應注意以下幾點：

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?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負載，因為不安全。

4. 電容降壓不適合動態(tài)負載。

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， 因為全波整流產(chǎn)生浮置的地，并在零線和火線之間產(chǎn)生高壓，造成人體觸電傷害。而且要滿足恒定負載的條件。

容降壓式簡易電源的基本電路如圖1，C1為降壓電容器，VD2為半波整流二極管，VD1在市電的負半周時給C1提供放電回路，VD3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。

器件選擇

1.電路設(shè)計時，應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可靠工作，其耐壓選擇應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=14.5I，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，在應用上要特別注意隔離，防止觸電。

阻容降壓電路正確計算將交流市電轉(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 采用電容降壓式電源。上圖內(nèi)容引用網(wǎng)上的。

看到這里，很多朋友一定想說：不就是阻容幺，計算容抗然后電壓除以容抗不就成了。當然網(wǎng)上找到的都是這樣的方法，我翻了手上的書也沒找到其它更好的算法。

但是這種電路通過容抗計算電流是非常不科學的，一個錯誤的理論計算的值自然而然與實際值存在不少差距。

正確的計算應該是這樣的：

如圖3電路，計算式應為I=4FC（1.414U-Vout）（方波時不用乘1.414），其中I為直流電路電流，此法已驗證；

同理，圖1和圖2的電路，計算式應為I=2FC（1.414U-Vout）（此式由上式變換，未驗證）。

如要更精確的計算，需考慮電阻和二極管的影響。

此法為本人塬創(chuàng)，如有雷同，純屬巧合。（不知前人是否早已使用）——sp@cai

例：如圖3，C1=0.33uF，交流輸入為220V/50Hz正弦波，Vout=6V：

I=4FC（1.414U-Vout）=4*50*0.33*10-6*（220*1.414-6）=20.1mA

若Vout=220V（DC）：

I=4FC（1.414U-Vout）=4*50*0.33*10-6*（220*1.414-220）=6.0mA

計算時注意單位轉(zhuǎn)換。

電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應用上要特別注意隔離，防止觸電。

電容降壓式簡易電源的基本電路如圖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用場合。

二、器件選擇

1.電路設(shè)計時，應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可靠工作，其耐壓選擇應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。

叁、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，在應用上要特別注意隔離，防止觸電

電容降壓電源塬理和計算公式

這一類的電路通常用于低成本取得非隔離的小電流電源。它的輸出電壓通常可在幾伏到叁幾十伏，取決于所使用的齊納穩(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。

采用電容降壓電路是一種常見的小電流電源電路﹐由于其具有體積小﹑成本低﹑電流相對恒定等優(yōu)點﹐也常應用于LED的驅(qū)動電路中。

圖一為一個實際的采用電容降壓的LED驅(qū)動電路﹕請注意﹐大部分應用電路中沒有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管﹐建議連接上﹐因壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管能在電壓突變瞬間（ 如雷電﹑大用電設(shè)備起動等 ）有效地將突變電流泄放﹐從而保護二級關(guān)和其它晶體管﹐它們的響應時間一般在微毫秒級 。

電路工作塬理﹕

電容C1的作用為降壓和限流﹕大家都知道﹐電容的特性是通交流﹑隔直流﹐當電容連接于交流電路中時﹐其容抗計算公式為﹕ XC = 1/2πf C

式中﹐XC 表示電容的容抗﹑f 表示輸入交流電源的頻率﹑C 表示降壓電容的容量。

流過電容降壓電路的電流計算公式為﹕ I = U/XC

式中 I 表示流過電容的電流﹑U 表示電源電壓﹑XC 表示電容的容抗

在220V﹑50Hz的交流電路中﹐當負載電壓遠遠小于220V時﹐電流與電容的關(guān)系式為﹕

I = 69C 其中電容的單位為uF﹐電流的單位為mA

下表為在220V﹑50Hz的交流電路中﹐理論電流與實際測量電流的比較

電阻R1為泄放電阻﹐其作用為﹕當正弦波在最大峰值時刻被切斷時﹐電容C1上的殘存電荷無法釋放﹐會長久存在﹐在維修時如果人體接觸到C1的金屬部分﹐有強烈的觸電可能﹐而電阻R1的存在﹐能將殘存的電荷泄放掉﹐從而保證人﹑機安全。泄放電阻的阻值與電容的大小有關(guān)﹐一般電容的容量越大﹐殘存的電荷就越多﹐泄放電阻就阻值就要選小些。經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下表﹐供設(shè)計時參考﹕

D1 ~ D4的作用是整流﹐其作用是將交流電整流為脈動直流電壓。

C2﹑C3的作用為濾波﹐其作用是將整流后的脈動直流電壓濾波成平穩(wěn)直流電壓

壓敏電阻（ 或瞬變電壓抑制晶體管 ）的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓電壓對地泄放掉﹐從而保護LED不被瞬間高壓擊穿。

LED串聯(lián)的數(shù)量視其正向?qū)妷海?Vf ）而定﹐在220V AC電路中﹐最多可以達到80個左右。

組件選擇﹕電容的耐壓一般要求大于輸入電源電壓的峰值﹐在220V，50Hz的交流電路中時﹐可以選擇耐壓為400伏以上的滌綸電容或紙介質(zhì)電容。 D1 ~D4 可以選擇IN4007。

濾波電容C2﹑C3的耐壓根據(jù)負載電壓而定﹐一般為負載電壓的1.2倍。其電容容量視負載電流的大小而定。