實(shí)用的電容降壓電路知識(shí)

實(shí)用的電容降壓電路 ? ? ?

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(dāng)受體積和成本等因素的限制時(shí)，最簡單實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。

采用電容降壓時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：?

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?，而不是依?jù)負(fù)載的電壓和功率。?

2?限流電容必須采用無極性電容，絕對(duì)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?yàn)椴话踩?/p>

4?電容降壓不適合動(dòng)態(tài)負(fù)載條件。

5?同樣，電容降壓不適合容性和感性負(fù)載。?

6?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。

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?，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(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(qǐng)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。?

最簡單的電容降壓直流供電電路及其等效電路如圖所示，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(dòng)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u(píng)F為單位，則Id為毫安單位，對(duì)于220V，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=0.62?C1，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R，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?？紤]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(huì)增加電能損耗，同時(shí)也會(huì)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。?

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(huì)高于30?伏，并且會(huì)隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，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(huì)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?/（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(fù)載電流Io?的關(guān)系可近似認(rèn)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(huì)高于30伏，并且會(huì)隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，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。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(hào)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(gè)1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)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(gè)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(gè)特點(diǎn)，我們?nèi)绻谝粋€(gè)1uF的電容器上再串聯(lián)一個(gè)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(gè)阻性元件的特性。

例如，我們將一個(gè)110V/8W的燈泡與一個(gè)1uF的電容串聯(lián)，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點(diǎn)亮，發(fā)出正常的亮度而不會(huì)被燒毀，因?yàn)?10V/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(huì)被點(diǎn)亮，而不會(huì)被燒毀。因?yàn)?W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA.因此，電容降壓實(shí)際上是利用容抗限流，而電容器實(shí)際上起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色。

圖一為一個(gè)實(shí)際的采用電容降壓的LED驅(qū)動(dòng)電路﹕請(qǐng)注意﹐大部分應(yīng)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(dòng)等 ）有效地將突變電流泄放﹐從而保護(hù)二級(jí)關(guān)和其它晶體管﹐它們的響應(yīng)時(shí)間一般在微毫秒級(jí) 。

電路工作原理 ? ? ?

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(dāng)電容連接于交流電路中時(shí)﹐其容抗計(jì)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(jì)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(dāng)負(fù)載電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于220V時(shí)﹐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(shí)際測量電流的比較

電阻R1為泄放電阻﹐其作用為﹕當(dāng)正弦波在最大峰值時(shí)刻被切斷時(shí)﹐電容C1上的殘存電荷無法釋放﹐會(huì)長久存在﹐在維修時(shí)如果人體接觸到C1的金屬部分﹐有強(qiáng)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(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)如下表﹐供設(shè)計(jì)時(shí)參考﹕

D1 ~ D4的作用是整流﹐其作用是將交流電整流為脈動(dòng)直流電壓。

C2﹑C3的作用為濾波﹐其作用是將整流后的脈動(dòng)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(duì)地泄放掉﹐從而保護(hù)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(dá)到80個(gè)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(shí)﹐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(fù)載電壓而定﹐一般為負(fù)載電壓的1.2倍。其電容容量視負(fù)載電流的大小而定。

審核編輯：湯梓紅