电容降压式电源原理及电路

电容降压式电源原理及电路电容降压式电源将交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法就是采用电容降压式电源。一、电路原理电容降压式简易电源的基本电路如图1，C1为降压电容器，D2为半波整流二极管，D1在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。在实际应用时常常采用的是图2的所示的电路。当需要向负载提供较大的电流时，可采用图3所示的桥式整流电路。整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致，故不适合大电流供电的应用场合。二、器件选择1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。三、设计举例图2中，已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。C1在电路中的容抗Xc为：Xc=1/（2πfC）=1/（2*3.14*50*0.33*10-6）=9.65K流过电容器C1的充电电流（Ic）为：Ic=U/Xc=220/9.65=22mA。通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：C=14.5I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。请看：电容降压式电源电路的计算与元件选择电容降压式电源电路又称恒流电源电路，由于省去了笨重的交流电源变压器，体积小巧，电路简洁，元件易购，成本低廉，在便携式小家电中应用十分广泛。下面就谈一谈该电路的计算方法和选择元件时的注意事项,方便大家在维修、改制采用此种电路的小家电，或自制电子小产品时参考。实际使用中，按照采用整流电路形式不同，电容降压恒流电源电路又分为全波整流式和半波整流式两种,电路结构如图①、图②所示，我们以全波整流式为例，分析如下：220V的交流市电经降压电容C降压，二极管D1～D4整流，滤波电容C滤波，并由稳压二极管DW稳压，最后获得稳定的低压直流电源，供负载用电器使用。电阻R是泄放电阻，为断电后降压电容C上储存的高压提供泄放通路，以防触摸时电击伤人。假设降压电容容量为C，在工频交流市电电路中容抗为XC，则XC＝,其中f＝50HZ因为C一般取值μF（即10-6F）级，容抗XC远大于负载阻抗，将负载阻抗忽略不计，则工频交流电源有效值I、电压有效值U与XC之间有：I＝代入上式有I＝=2πfcU由此得出：C=I又因U＝220VC=I≈14.47×10-6I≈15×10-6I(法拉)当电容C单位取μF，电流I单位取A时，则有C≈15I（μF）这样根据负载用电器的工作电流I大小，就很容易来确定降压电容C的取值。例如用电器工作电流为100mA，即0.1A，采用全波整流式电路工作时，降压电容值为：C≈15I＝15×0.1＝1.5μF同理计算可知，半波整流时C≈30I（μF)，若上述用电器采用半波整流式电路供电时，降压电容值为：C≈30I＝30×0.1＝3μF计算出取值后，就可据此选取电容了，由于降压电容直接接在交流市电中，交流电压峰值高达310多伏，所以电容耐压要400V以上，最好选择630V的优质无极性涤纶电容，以确保电路稳定工作。另外其它元件，整流二极管最好采用高反压、大电流的1N4007，稳压二极管采用小功率的即可，稳压值视用电器工作电压而定，滤波电容选取容量470μF左右，耐压值要高于直流输出电压。泄放电阻一般采用1/8W小功率电阻，阻值100KΩ～2.2MΩ。最后说明的一点是，采用电容降压式的电源电路，由于没有与市电隔离，工作时电路上带有220V的市电电压，严禁用手或身体接触，以免发生触电事故。此主题相关图片如下：此主题相关图片如下：电容降压式电源原理及电路采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路﹐由于其具有体积小﹑成本低﹑电流相对恒定等优点﹐也常应用于LED的驱动电路中。图一为一个实际的采用电容降压的LED驱动电路﹕请注意﹐大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管﹐建议连接上﹐因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间(如雷电﹑大用电设备起动等)有效地将突变电流泄放﹐从而保护二级关和其它晶体管﹐它们的响应时间一般在微毫秒级。电路工作原理﹕电容C1的作用为降压和限流﹕大家都知道﹐电容的特性是通交流﹑隔直流﹐当电容连接于交流电路中时﹐其容抗计算公式为﹕XC=1/2πfC式中﹐XC表示电容的容抗﹑f表示输入交流电源的频率﹑C表示降压电容的容量。流过电容降压电路的电流计算公式为﹕I=U/XC式中I表示流过电容的电流﹑U表示电源电压﹑XC表示电容的容抗在220V﹑50Hz的交流电路中﹐当负载电压远远小于220V时﹐电流与电容的关系式为﹕I=69C其中电容的单位为uF﹐电流的单位为mA下表为在220V﹑50Hz的交流电路中﹐理论电流与实际测量电流的比较电阻R1为泄放电阻﹐其作用为﹕当正弦波在最大峰值时刻被切断时﹐电容C1上的残存电荷无法释放﹐会长久存在﹐在维修时如果人体接触到C1的金属部分﹐有强烈的触电可能﹐而电阻R1的存在﹐能将残存的电荷泄放掉﹐从而保证人﹑机安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关﹐一般电容的容量越大﹐残存的电荷就越多﹐泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据如下表﹐供设计时参考﹕D1~D4的作用是整流﹐其作用是将交流电整流为脉动直流电压。C2﹑C3的作用为滤波﹐其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压压敏电阻(或瞬变电压抑制晶体管)的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉﹐从而保护LED不被瞬间高压击穿。LED串联的数量视其正向导通电压(Vf)而定﹐在220VAC电路中﹐最多可以达到80个左右。组件选择﹕电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值﹐在220V,50Hz的交流电路中时﹐可以选择耐压为400伏以上的涤纶电容或纸介质电容。D1~D4可以选择IN4007。滤波电容C2﹑C3的耐压根据负载电压而定﹐一般为负载电压的1.2倍。其电容容量视负载电流的大小而定。下列电路图为其它形式的电容降压驱动电路﹐供设计时参考﹕在图二电路中﹐可控硅SCR及R3组成保护电路﹐当流过LED的电流大于设定值时﹐SCR导通一定的角度﹐从而对电路电流进行分流﹐使LED工作于恒流状态﹐从而避免LED因瞬间高压而损坏。在图三电路中﹐C1﹑R1﹑压敏电阻﹑L1﹑R2组成电源初级滤波电路﹐能将输入瞬间高压滤除﹐C2﹑R2组成降压电路﹐C3﹑C4﹑L2﹑及压敏电阻组成整流后的滤波电路。此电路采用双重滤波电路﹐能有效地保护LED不被瞬间高压击穿损坏。图四是一个最简单的电容降压应用电路﹐电路中利用两只反并联的LED对降压后的交流电压进行整流﹐可以广泛应用于夜光灯﹑按钮指示灯﹐要求不高的位置指示灯等场合。已知参数：输入电压：12V---Vi输出电压：18V---Vo输出电流：1A---Io输出纹波：36mV---Vpp工作频率：100KHz---f************************************************************************1：占空比稳定工作时，每个开关周期，导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少，即Vi*don/(f*L)=(Vo+Vd-Vi)*(1-don)/(f*L),整理后有don=(Vo+Vd-Vi)/(Vo+Vd),参数带入，don=0.5722：电感量先求每个开关周期内电感初始电流等于输出电流时的对应电感的电感量其值为Vi*(1-don)/(f*2*Io)，参数带入，Lx=38.5uH,deltaI=Vi*don/(L*f)，参数带入，deltaI=1.1A当电感的电感量小于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加变化较明显，当电感的电感量大于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加几乎不再变小，由于增加电感量可以减小磁滞损耗，另外考虑输入波动等其他方面影响取L=60uH，deltaI=Vi*don/(L*f),参数带入，deltaI=0.72A，I1=Io/(1-don)-(1/2)*deltaI,I2=Io/(1-don)+(1/2)*deltaI，参数带入，I1=1.2A,I2=1.92A3：输出电容：此例中输出电容选择位陶瓷电容，故ESR可以忽略C=Io*don/(f*Vpp),参数带入，C=99.5uF，3个33uF/25V陶瓷电容并联4：磁环及线径：查找磁环手册选择对应峰值电流I2=1.92A时磁环不饱和的适合磁环Irms^2=(1/3)*(I1^2+I2^2-I1*I2)，参数带入，irms=1.6A按此电流有效值及工作频率选择线径其他参数：电感：L占空比：don初始电流：I1峰值电流：I2线圈电流：Irms输出电容：C电流的变化：deltaI整流管压降：Vd