电容降压的工作原理

电容降压的工作原理 作者 冰晓 日期 2009-5-13 7:11:00 2 推 荐 电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限 制最大工作电流。例如，在 50Hz 的工频条件下，一个 1uF 的电容所产生的容抗约为 3180 欧姆。当 220V 的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为 70mA。虽然流过电容的电流有 70mA，但在电 容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功 功率。根据这个特点，我们如果在一个 1uF 的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电 压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个 110V/8W 的灯泡与一个 1uF 的电 容串联，在接到 220V/50Hz 的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为 110V/8W 的 灯泡所需的电流为 8W/110V=72mA，它与 1uF 电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将 5W/65V 的灯泡与 1uF 电容串联接到 220V/50Hz 的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为 5W/65V 的 灯泡的工作电流也约为 70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电 流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。 采用电容降压时应注意以下几点： 1 根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。 2 限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在 400V 以上。 最理想的电容为铁壳油浸电容。 3 电容降压不能用于大功率条件，因为不安全。 4 电容降压不适合动态负载条件。 5 同样，电容降压不适合容性和感性负载。 6 当需要直流工作时，尽量采用半波整流。不建议采用桥式整流。而且要满足恒定负载的条件 。 以上是电容降压工作原理的简单介绍。前些日子我曾再次提出一个问题，就是只用电阻和电容 可以组成什么电路，进一步讲只用一个电阻和一个电容可以组成什么电路。此篇可以是一个回答，有兴趣 的可以再想一想还能组成什么电路。其实电阻、电容和电感作为电子电路的基本元件，熟知它们的特性并 灵活地应用它。 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 = 1/2f C 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 220V50Hz 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 220V50Hz 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。 C2C3 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 220V AC 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 C2C3 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。 电容降压是恒流方式的，电压必须由齐纳管确定，也就是稳压管。如果你 用它带动 LED，必须要加与 LED 电压对应的稳压管。 半波整流方式计算应该是每 uF 电容量提供约 30mA 电流，这是在中国的 5 0Hz220V 线路上的参考。 全波整流时电流加倍，即每 uF 可提供 60mA 电流。 为了安全，最好不使用全波，因为它是悬浮地的。 电容量(uf)=电流(mA)/15 限流电阻（）=310/最大允许浪涌电流 放电电阻（K）=500/电容(uf) 下面给出具体电路： 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 0.33F，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 /（2 f C）= 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=14.5 I， 其中 C 的容量单位是 F，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 C1 为降压电容器，VD2 为半波整流二极管，VD1 是稳压二极管，R1 为关断电源后 C1 的电荷泄放电阻。 这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。它的输出电压通常可 在几伏到几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。所能提供的电流大小正比于限 流电容容量。采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：（国际 标准单位） 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 f 为电源频率单位 HZ;C 为电容容值单位 F 法拉;V 为电源电压单位伏 V;Zc=2*Pi *f*C 为阻抗阻值单位欧姆. 如果采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为： 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，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性 要比半波整流型更差，所以用的更少。 整流为什么用半波，而不用桥式呢？ # 前篇有关电容降压工作原理简介文章是在看到论坛中有人问到关于电容降压原 理的提问而写出来的。由于写的时候仓促一些，有些细节没有做过多地阐述，在此作一些 补充。 1 我们在做电路时总希望整个电路只有一个公共参考点，即大家常说的接地点。当采用电 容降压方式进行交直流转换时，如果采用桥式整流，试想在交流端和直流端能有一个公共 参考点吗？从原理上讲只采用直流端的参考点是可以讲得通的。但这不是一个最安全的做 法。当交流端的零线和火线接反的时候，直流端的参考点可能会有电。当采用半波整流时， 我们可以保证交直流端的参考点都接到交流端的零线上，同时在与交流点连接是注意零线 和火险的连接方向，可以保证相对安全一些。这在电路调试时尤其重要。因此我提到的只 是不推荐使用桥式整流。 2 关于电容降压的允许使用最大功率的问题。从原理上讲应该没有限制。但是随着使用功 率的加大，电容器的容量也要加大，当功率达到一定程度时电容器的体积和价格就不一定 比使用变压器更合算、更安全。何况是用电容降压时负载从电网所取得有功功率只取决于 阻性负载的大小，余下的是电容所作的无功功率。电流越大无功功率也就越大，这对电网 的安全运行是极其不利的。有兴趣地可以画一个矢量图，计算一下有功功率和无功功率的 比值。就可以得出电网的运行效率。但是在小功率运行时对电网的危害不大，更何况它可 以简化电路，缩小电路的体积，因此在一定范围内还是有非常广泛的用途的。我所提到的 不安全是从电网运行安全和用户使用安全两方面来考虑的。 #原则上用桥式效果更好。半波只有在特殊要求的情况下才用，如简单的可控硅触发 电路，它需要把低压直流的一个极与电网的一个极直通。至于安全问题，靠用半波再加上 严格注意零火的接法只是权宜之计，只有经常触及才需要考虑安全，而经常触及的多半是 插头插座连接的形式，这样很难把握到零火的方向。用双向可控硅作为多功能电子开关， 用半波最易匹配，用桥式就比较复杂了。 $?$?$?$?似乎有个小小的错误，220 伏接到 1 微法的电容上，最大电流是 70 毫安么？ 应该用 310 伏来除吧。 #我们在对交流电压进行功率计算时无论其频率如何，均是取其有效值进行计算 的，而不是峰值或峰峰值。当然这里我们忽略了交流电的相位关系。在工频电压条件下， 相位将引起供电效率的下降，无论相位超前还是滞后都会引起供电效率降低。如果按峰值 或峰峰值计算功率，那么当交流电在负半周时如何计算其功率呢？有效值和峰值之间的关 系应该是中学的课程。 $?$?$?$?请问路遥先生 1.为电容降压不适合容性和感性负载 2.什么绝对不能用电解电容 $?$?$?$? 请问 路遥 那么可以用的最大电容容量是多少？什么类电容？ -看过后想自己动手做一些，但 30mA 实际用途不在呀！ 请问可以用的最大电容容 量是多少？什么类电容？ $?$?$?$?我看上面讨论的都是关于用在交流上面的，我看到一个直流的电容分压电路， 这是什么原理呢，是不是和交流的一样，但是那么哪里来得交流信号频率。我用一个 470uf 和 100uf 的电容串连接到直流电源上，可以得到 100uf 伤得电压大概是 1.8V 左 右，所以这个电容降压的原理是不是在直流上同样适用呢 #我的电容降压工作原理简介一文在论坛上发表后引来上万人的浏览，实属 意外。很多人提出了自己的看法，并提出了很好建议和意见，本人在此表示感谢。但是我 在看了许多人发表的帖子后，心里又有一些说不出的感觉。大家都在对电容降压的工作原 理和应用范围从不同的角度发表自己的看法。可这不是我的本意。当初，有人在论坛上询 问电容降压的工作原理，而在此之前我还曾提出过“只用电阻和电容可以组成什么样的电路” 的问题。因此我把“电容降压”这一 RC 电路的特殊形态提了出来，希望引起更深一层的讨 论。并且在文章的后面又一次提出了电阻和电容可以组成什么样电路的问题。实际上在上 百人的回复中只有一个叫“小罗”的网友正面回答了这个问题。 RC 电路是电子电路中最常见，也是应用最多的电路之一。RC 在电路中不同的连接方式， 以及 RC 电路的时间常数与在电路中的工作频率的不同可以组成各种不同的电路，并满足 不同的应用。这些各种不同的电路也许因为大家太常见了，以至引不起大家的重视。我见 过很多工程师在进行电路设计时往往只重视有源器件的特性，按照器件手册中的典型应用 进行设计。可是大家忽略了，如果器件手册中介绍的典型对于你的设计有差别时就不能完 全套用典型应用中的设计数据。这时候需要调整的恐怕也就是电阻、电容等这些外围元件。 工程师的重要作用就是如何灵活运用你所学过的知识，创造出看似简单，却又出乎预料的 实际应用。 我们在感慨国外的先进技术时是否想到了我们为什么不如人家。我个人感觉是我们的基础 不如人家，这个基础不仅是国家的经济基础，更重要的是我们的人才基础。举个例子，我 们国家的乒乓球可谓称霸世界。无论国际乒联是把小球换成大球，还是改变竞赛规则，都 动摇不了我们作为乒乓强国的地位。为什么？因为我们有强大的乒乓球基础，又无以数计 的乒乓球人才。因此在我国不可能出现像瓦尔德内尔那样的常青树。我国的电子工业可否 在世界上处于领先地位专家的作用不可否认，但更需要更多的，能灵活运用基础知识的广 大工程师，去认真做好自己的每一项设计工作。埃及金字塔的之所以能长期存在就在于它 有一个非常坚实的基础。巴比伦的空中花园之所以不复存在就在于它是一个“空中花园”。 电阻、电容、电感这些在电路设计中最常见的无源元件，有时可能因为它们太常见了，以 至于忽略了它们的作用。一个电阻和一个电容有人利用它们的特性组成了“电容降压”这种 特殊用法。这么多的电子工程师为什么是别人想到了这种用途，而不是我们。原因是我们 对这些无源元件的特性还不是很了解，尽管我们可以把课文背得头头是道，可是我们却不 能灵活的运用它们。 在众多的回帖中我比较赞同 tzl 的回帖，只有他意识到了“电容降压”是 RC 电路应用的一种 特例。这种应用特例并不值得我们去反复讨论。我们应该把注意力放在我们可否用简单的 原理创造出更多的应用。 #?#?#?路遥帮忙解释一下电容在一个周期内的电流曲线变化与电压曲线变化 #关于电容器在一个周期内的电流与电压的变化曲线，在电路分析基础课程 中已经讲得很清楚了，应该仔细看看教材。况且，在此不能表述图形，只用语言可能会使 人看不明白。需要注意的是不同的频率周期、不同的电容容量、不同的输入输出电阻，会 使电容两端的电流和电压的变化曲线不同。需要牢记的是电容器的两个重要特性。 1 流经电容器的电压要滞后电流。 2 电容器两端的电压不能突变。 这两个特性很多人都知道，但能否灵活地运用它却是另外一件事。 记住毛泽东的一句话“认识了的东西并不一定能理解它，只有理解了的东西才能更深刻地认 识它”。 # 在 LC 谐振电路中电容和电感除了决定电路的谐振频率外，电容和电感的比值 还决定了该谐振电路的特性阻抗。对于谐振电路采用多大的特性阻抗，取决于该谐振电路 与前级电路和后级电路的连接，合理的匹配可以使电路得到最大的功率输出。77.5KHz 的 工作频率可能使电感的体积较大而 Q 值较低。无论什么事情都需要对集体情况的具体分析， 在不知道你的具体应用之前，可能提不出太多的建议。 2 RC 降压电路本身就是对电网工作状态的一个破坏。在小功率条件下对电网的破坏不太 明显，也就没有更多的人进行追究。同时 RC 降压电路在电网和负载之间没有有效的隔离 措施，而且也不可能对一个简单的电路加上很复杂的网络校正电路，这样就失去了简单电 路的意义。谐波过大是 RC 降压电路经二极管整流所产生的必然结果，是这种电路的先天 不足。如果有较高的要求的话，尽量不采用这种电路。 在电子制作 href=“/Article/dzzz/Index.html“电子制作电子制作时，为 了减小体积、降低成本，往往采用电容降压的方法代替笨重的电源变压器。采 用电容降压方法如元器件选择不当，不但达不到降压要求，还有可能造成电路 损坏。本文从实际应用角度，介绍电容降压元器件应如何进行正确选择。 最简单的电容降压直流供电电路及其等效电路如图 1，C1 为降压电容，一般 为 0.333.3uF。假设 C1=2uF，其容抗 XCL=1/(2PI*fC1)=1592。由于整流管的导 通电阻只有几欧姆，稳压管 VS 的动态电阻为 10 欧姆左右，限流电阻 R1 及负 载电阻 RL 一般为 100200，而滤波电容一般为 100uF1000uF，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电阻，可以画出图 2 的 交流等效电路。同时满足了 XC1R 的条件,所以可以画出电压向量图。 由于 R 甚小于 XC1，R 上的压降 VR 也远小于 C1 上的压降，所以 VC1 与电 源电压 V 近似相等，即 VC1=V。根据电工原理可知：整流后的直流电流平均 值 Id,与交流电平均值 I 的关系为 Id=V/XC1。若 C1 以 uF 为单位，则