實(shí)用的電容降壓電路

實(shí)用的電容降壓電路

將交流市電轉換為低壓直流的常規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(shí)，最簡(jiǎn)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)應注意以下幾點(diǎn)：?

1?根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容，而不是依據負載的電壓和功率。?

2?限流電容必須采用無(wú)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條件，因為不安全。?

4?電容降壓不適合動(dòng)態(tài)負載條件。

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(shí)，盡量采用半波整流，不建議采用橋式整流，而且要滿(mǎn)足恒定負載的條件。

這一類(lèi)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(lèi)電路全波整流雖電流稍大，但是因為浮地，穩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：?

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(xiàn)，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(kāi)運行。?

最簡(jiǎn)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C1=2uF，其容抗XCL=1/（2PI×fC1）=1592。由于整流管的導通電阻只有幾歐姆，穩壓管VS的動(dòng)態(tài)電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻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(huà)出圖的交流等效電路。同時(shí)滿(mǎn)足了XC1》R的條件，所以可以畫(huà)出電壓向量由于R甚小于XC1，R上的壓降VR也遠小于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uF為單位，則Id為毫安單位，對于220V，50赫茲交流電來(lái)說(shuō)，可得到Id=0.62C1。?

由此可以得出以下兩個(gè)結論：（1）在使用電源變壓器作整流電源時(shí)，當電路中各項參數確定以后，輸出電壓是恒定的，而輸出電流Id則隨負載增減而變化；（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載電阻R，大小不同在一定范圍內變化。RL越小輸出電壓越低，RL越大輸出電壓也越高。C1取值大小應根據負載電流來(lái)選擇，比如負載電路需要9V工作電壓，負載平均電流為75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF?？紤]到穩壓管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。?

穩壓管的穩壓值應等于負載電路的工作電壓，其穩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，因此一般不怕負載短路，但是當負載完全開(kāi)路時(shí)，R1及VD5回路中將通過(guò)全部的93毫安電流，所以VD5的最大穩定電流應該取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(guò)VD5，所以其最小穩定電流不得大于18毫安，否則將失去穩壓作用。?

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?在市電的負半周時(shí)給C1?提供放電回路，D3?是穩壓二極管R1?為關(guān)斷電源后C1?的電荷泄放電阻。在實(shí)際應用時(shí)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(shí)，可采用圖-3?所示的橋式整流電路。整流后未經(jīng)穩壓的直流電壓一般會(huì )高于30?伏，并且會(huì )隨負載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，這是因為此類(lèi)電源內阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場(chǎng)合。?

器件選擇?

1.電路設計時(shí)，應先測定負載電流的準確值，然后參考示例來(lái)選擇降壓電容器的容量。因為通過(guò)降壓電容C1?向負載提供的電流Io，實(shí)際上是流過(guò)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(shí)，多余的電流就會(huì )流過(guò)穩壓管，若穩壓管的最大允許電流Idmax?小于Ic-Io?時(shí)易造成穩壓管燒毀。

2.為保證C1?可*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(shí)間內泄放掉C1?上的電荷。?

設計舉例?

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(guò)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。?

整流后未經(jīng)穩壓的直流電壓一般會(huì )高于30伏，并且會(huì )隨負載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，這是因為此類(lèi)電源內阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場(chǎng)合。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，電容降壓的工作原理并不復雜，他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)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220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過(guò)電容的最大電流約為70mA。雖然流過(guò)電容的電流有70mA，但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，應為如果電容是一個(gè)理想電容，則流過(guò)電容的電流為虛部電流，它所作的功為無(wú)功功率。根據這個(gè)特點(diǎn)，我們如果在一個(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(huì )被點(diǎn)亮，而不會(huì )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(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驅動(dòng)電路﹕請注意﹐大部分應用電路中沒(méi)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﹑大用電設備起動(dòng)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(shí)間一般在微毫秒級 。

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﹐當電容連接于交流電路中時(shí)﹐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(guò)電容降壓電路的電流計算公式為﹕

I = U/XC

式中 I 表示流過(guò)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(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(wú)法釋放﹐會(huì )長(cháng)久存在﹐在維修時(shí)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)驗數據如下表﹐供設計時(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)的數量視其正向導通電壓（ Vf ）而定﹐在220V AC電路中﹐最多可以達到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。