电容降压.doc

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。此主题相关图片如下：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Id为毫安单位，对于22V，50赫兹交流电来说，可得到Id=0.62C1。由此可以得出以下两个结论：（1）在使用电源变压器作整流电源时，当电路中各项参数确定以后，输出电压是恒定的，而输出电流Id则随负载增减而变化；（2）使用电容降压作整流电路时，由于Id=0.62C1,可以看出，Id与C1成正比，即C1确定以后，输出电流Id是恒定的，而输出直流电压却随负载电阻RL大小不同在一定范围内变化。RL越小输出电压越低，RL越大输出电压也越高。C1取值大小应根据负载电流来选择，比如负载电路需要9V工作电压，负载平均电流为75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF。考虑到稳压管VD5的的损耗，C1可以取1.5uF，此时电源实际提供的电流为Id=93毫安。稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压，其稳定电流的选择也非常重要。由于电容降压电源提供的的是恒定电流，近似为恒流源，因此一般不怕负载短路，但是当负载完全开路时，R1及VD5回路中将通过全部的93毫安电流，所以VD5的最大稳定电流应该取100毫安为宜。由于RL与VD5并联，在保证RL取用75毫安工作电流的同时，尚有18毫安电流通过VD5，所以其最小稳定电流不得大于18毫安，否则将失去稳压作用。限流电阻取值不能太大，否则会增加电能损耗，同时也会增加C2的耐压要求。如果是R1=100欧姆，R1上的压降为9.3V,则损耗为0.86瓦,可以取100欧姆1瓦的电阻。滤波电容一般取100微法到1000微法,但要注意其耐亚的选择.前已述及,负载电压为9V,R1上的压降为9.3V,总降压为18.3V,考虑到留有一定的余量,因此C2耐压取25V以上为好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。在实际应用时经常采用的是图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，若稳压管的最大答应电流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，在应用上要非凡注重隔离，防止触电。本文摘自中国制作来源: 武汉家电维修 /study/show-2018-1.html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0.33F，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 多电容串联降压，并电阻是为了平衡电容的电压。电容因有轻微漏电现象，因漏电大小不等会造成各电容的分压不完全相等。电阻取值以小于电容漏电电阻的十倍左右，一般常用500K至1兆欧。 电容取值通过 电压/容抗=电流 进行计算。 电容降压用于交流电路，若用于直流，必需有反向通路。因反向电流要与正向相等，所以计算时要取2倍电流值。电容降压的工作(工作总结)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(工作总结)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，因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，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，再接到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(工作总结)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(工作总结)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(工作总结)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在常用的低压电源中，用电容器降压（实际是电容限流）与用变压器相比，电容降压的电源体积小、经济、可靠、效率高。如冰箱电子温控器或遥控电源的开关等电源都是用电容器降压而制作的。相对于电阻降压，对于频率较低的50Hz交流电而言，在电容器上产生的热能损耗很小，所以电容器降压更优于电阻降压。通过电容器电流的大小，受该电容器容抗Xc1（2fC），Xc的单位是欧姆；交流电频率f的单位是赫兹；电容器C的单位是法拉。当将不同容量的电容器C（如图1所示），接入AC220V 50Hz的交流电路时，其C的容抗及其所能通过的电流如附表所列。该电流即电容器C所能提供的最大电流值。 用电容器降压制作电源时，必须注意以下几点：（1）经电容器降压后，必须如图2所示经整流、滤波及稳压二极管稳压后，才能获得电压稳定的电源（注：整流电路也可用半波整流）。（2）电容器耐压最好在630V以上，并应用无极性的电容器，有极性电容器不能用。（3）在电容器两端并联500K-1M的泄放电阻。（4）在组装调试过程中要用1:1隔离变压器接入AC220V电路中，以防触电。电容降压原理及电路2008-03-26 08:11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 = 1/2f 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。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C1R1压敏电阻L1R2组成电源初级滤波电路能将输入瞬间高压滤除C2R2组成降压电路C3C4L2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=0.572 2：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=1.92A 3：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 Irms2=(1/3)*(I12+I22-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电容降压式电源原理及电路2008-01-17 17:27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0.33F，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。一种新颖的电容降压型直流稳压辅助电源本文介绍一种新颖的电容降压型直流稳压电路，电路不含变压器，只由几个简单的电子元件组成。输出DC电压可在很宽的范围内任意调节，只需要改变基准电压元件。一、 概述电子工程师总是在不断追求减小设备体积，优化设计，以期最大限度地降低设备成本。其中，减小作为辅助电源的直流稳压电源电路部分的体积，往往是最难解决的问题之一。普通的线性直流稳压电源电路效率比较低，电源的变压器体积大，重量重，成本较高。开关电源电路结构较复杂，成本高，电源纹波大，RFI和EMI干扰是难以解决的。下文介绍的是一种新颖的电容降压型直流稳压电源电路。这种电路无电源变压器，结构非常简单，具体有：体积小、重量轻、成本低廉、动态响应快、稳定可靠、高效（可达90%以上）等特点。二、 电容降压原理当一个正弦交流电源U（如220V AC 50HZ）施加在电容电路上时，电容器两极板上的电荷，极板间的电场都是时间的函数。也就是说：电容器上电压电流的有效值和幅值同样遵循欧姆定律。即加在电容上的电压幅值一定，频率一定时，就会流过一个稳定的正弦交流电流ic。容抗越小（电容值越大），流过电容器的电流越大，在电容器上串联一个合适的负载，就能得到一个降低的电压源，可经过整流，滤波，稳压输出。电容在电路中只是吞吐能量，而不消耗能量，所以电容降压型电路的效率很高。三、 原理方框图电路由降压电容，限流，整流滤波和稳压分流等电路组成。1.降压电容：相当于普通稳压电路中的降压变压器，直接接入交流电源回路中，几乎承受全部的交流电源U，应选用无极性的金属膜电容（METALLIZED POLYESTER FILM CAPACITOR）。2.限流电路：在合上电源的瞬间，有可能是U的正或负半周的峰_峰值，此时瞬间电流会很大，因此在回路中需串联一个限流电阻，以保证电路的安全。3.整流滤波：有半波整流和全波整流，与普通的直流稳压电源电路的设计要求相同。4.稳压分流：电压降压回路中，电流有效值I是稳定的，不受负载电流大小变化的影响，因此在稳压电路中，要有分流回路，以响应负载电流的大小变化。四、 设计势实例1.桥式全波整流稳压电路：规格要求：输出DC电压12V，DC电流300mA；输入电源220V AC/50HZ 市电。1）降压电容C1的选择：a. C1容值的选择：电容值取决于负载电流，负载电流I确定后,可得: C11/2fU式中交流电源U值计算时取负10%，即：I=300mA，U=220V*（-10%）=198V，f=50HZ,C10.3(2*3.14156*50*198)=4.82uF)电容值只可取大，不可取小，本例电容C1取值5uF。b. 耐压值的选择：要考虑电源正10%的情况，如本例用市电，C1要选择250V AC的金属膜电容。c. 耐瞬间冲击电流的选择：金属膜电容的内阻是很低的，允许电容在吞吐能量时，有大的电流流过，这个电流的大小取决于电容值和它的du/dt值，此值由电容的结构，金属膜的类型，引出线的方式决定的。du/dt值与电容的耐压值有关，耐压越高，du/dt值越大，不同厂家产品du/dt值也有很大的差别，如耐压为250VAC电容值为5uF的金属膜电容的du/dt值一般在330之间选择。在本例中：C15uF，du/dt值取3，则C1耐瞬间冲击电流值为：I=Cdu/dt5*315（A）2）限流电阻R1的选择：先求C1的容抗：Xc1/2fC1/(2*3.1416*50*0.000005)=636.36则复阻抗：|Z|638.3（R1取值为47）求得电流有效值为：I=U/|Z|=220/638.3344.7mA电阻实际承受的有效电压值：UR=344.7mA*47 16.2V求出电阻实际承受的功率：PR16.2V*344.7mA=5.58W（R1选用线绕电阻器，功率取7.5W）3）稳压分流电路：稳压管ZD1和T1管E-B结，R3组成稳压电路，T1,R2组成分流电路。ZD1选用11.3V的稳压管；R3阻值取1801/6W；T1管响应负载电流的大小变化，负载电流可在0300mA内变化，T1选用2W的PNP管，电流放大倍数200；R2用作负载电流较小时，分担一部分T1管的功率，R2取值30/3W。2.半波整流稳压电路：规格要求：输出一组24V DC电压（如提供继电器工作用），一组DC电压5V（如供微控制器工作或双向可控硅触发电流用），输出DC电流60mA；输入电源220V/50HZ。1）降压电容C1的选择：a.流过电容C1的电流约是负载电流的两倍，即120mA，得出：C11/2fU=0.12(2*3.14156*50*198)=1.93(uF）C1的实际取值2uF。b.选择耐压值为250V AC的金属膜电容。c.瞬间冲击电流值为：ICdu/dt2*36（A）2）限流电阻R1的选择：电路的复阻抗：Xc=1/(2*3.14156*50*0.000002)=1.464K|Z|=1.467 K(R1取值100)求得电流有