电容降压原理之我见 转载 : 最近见到几张用电容降压做电源的电路图, 随即对这种结构简单, 成本低廉, 占用空间小的电路产生了兴趣 上网查了查资料, 发现这算是一个比较古老的技术, 但是如此运用电容, 确实是很巧妙 网上关于这方面的交流也不少, 但是大多是转载的, 主要有两个版本, 出处已经无从考证, 但是很少有较为严谨的计算 笔者查阅了一些资料, 在此对其原理和参数的计算作一些总结, 不当之处, 还请指教 基本原理 : 电容降压主要是用在直流稳压电源电路里 直流稳压电源电路的大致结构是 : 市电 变压 ( 降压 ) 整流 滤波 稳压 直流输出第一个环节, 也就是变压, 主要是降压, 一般使用变压器来完成 但是变压器体积较大, 成本也较高, 如果电路简单, 例如声光控制开关, 那么加一个变压器就显得大材小用 这个时候用一个电容, 就可以解决降压的问题, 简化电路, 节约成本 基本电路如图 1: 图 1 半波整流 市电经过 1 降压后到 D2,D2 完成半波整流,2 对整流后的脉动直流滤波, D3 稳压, 输出稳定的直流电压给负载 R1 是电源关闭后 1 的电荷泄放电阻 D1 是为了在市电的负半周给 1 提供充放电通路 因为要保证 1 在整个交流电周期
内都是工作的 如果将 1 后面的电路都看作负载的话, 那么相当于 1 和一个电阻串联在市电通路里, 电容和电阻在交流下都是有阻抗的, 串联分压, 自然负载上的电压就小了 这样理解也对 但是更准确的理解应该是 :1 起到了限流的作用, 它决定了电路中的最大电流, 当负载一定的情况下,1 也就决定了负载上可以得到的电压, 最终起到了降压的作用 例如 : 图 1 中如果负载短路,220V 交流电全部加在 1 上, 电路中的电流等于 1 的充放电电流 U I U / Z U * jw 6 9 m A 1 jw 这个电流也就是电路中的最大电流 这里取得都是有效值 当加上负载后, 如果输出直流电压比较低 ( 稳压管决定 ), 则可以近似认为全部电压都加在电容上 由于是半波整流, 所以电容 1 后面的电路只能得到 1 半个周期的充放电电流, 也就是有效值的一半, 大约 34.5mA 左右 由于负载上有电压, 所以实际电流要小一点, 大约 30mA 当负载需要的电流不超过 30mA 时, 电路就可以正常工作, 电容也就起到了类似变压器的作用 降压 对于桥式整流,1 后面的电路能得到 1 整个周期的充放电电流, 大约 60mA 图 2 全波整流
参数计算 : 电容降压电路主要应用在负载电流较小, 负载确定且固定的场合 因为由电容降压电路组成的稳压电源稳压能力十分有限, 并且对电网有一定的影响 较为严谨的计算, 主要涉及三个元件的参数 : 降压电容, 稳压二极管, 泄放电阻 滤波电容用几百 UF, 耐压值取输出直流电压的 3-4 倍即可 整流二极管用 1N4007 就行 在应用稳压二极管稳压时, 一般是有一个限流电阻与之一起工作, 在这里降压电容已经限制了最大电流, 所以可以不用限流电阻 首先根据负载所需要的电流和稳压管正常工作的反向电流, 确定电路所需要的总电流 然后用电容上的电压除以总电流, 得到相应的容抗 最后选择容值最接近的电容 容值小, 提供不了足够的电流, 容值大, 稳压管分担的电流多, 功耗大 选择的稳压管最大反向电流要大于总电流, 这样当负载断开时, 稳压管才不至于烧坏 泄放电阻, 主要是为了在较短时间内释放掉电容上的电荷, 这里有一个时间常数的计算, 一般按下表取就可以了 降压电容 UF 0.47 0.68 1 1.5 2 泄放电阻 1M 750K 510K 360K 220K 根据负载对电流的要求和输出的直流电压, 降压电容计算步骤如下, 负载指 的是降压电容以外的电路 根据输出电压要求, 求电容压降 Uc: U U 0.45 U ( ) 输出的直流负载半波整流 1.2 U ( ) 输出的直流负载桥式整流 220V U U 负载 2 2 根据负载要求, 求出流过电容的电流 Ic: I I I 负载 = R D I =0.5 I ( 半波整流 ) 负载
I负载 = I ( 桥式整流 ) 求出容值 : 1 j w = Z = U I 当输出直流电压较小时 ( 这是电容降压电路主要的应用领域 ), 可以近似认为全部交流的电压加在电容上 计算过程如基本原理所述, 整流电路是半波整流时,1UF 的电容最大可以提供约 30mA 的电流, 整流电路是桥式整流时,1UF 的电容最大可以提供约 60mA 的电流 有的时候电容降压用在纯交流电路中, 由电容降压得到一个低于 220V 的交流电压 根据负载的电阻和所需电流的大小, 由 I U Z R 2 2 / 即可推出 Zc, 进而推出电容的容值 注意事项 : (1) 电容降压是一种低成本, 不安全的应用, 没有和 220V 隔离, 电路应该放在一般接触不到的地方 ; (2) 不能应用在大功率场合, 不能用在负载变化或者不确定的场合 ; (3) 降压电容一般要接在火线上 ( 纯交流电路除外 ), 电路的零, 火线不能接反, 这一点可以用三脚插头来强制, 或者标注清楚 ; (4) 降压电容必须是无极性电容, 耐压值要大于 400V( 常用金属膜 BB); (5) 主要根据负载的电流大小和交流电频率来选择电容 ; (6) 需要直流输出, 稳压管一定要有 ; (7) 需要直流输出, 建议用半波整流, 桥式整流后是需地, 不安全 ; (8) 需要直流输出, 负载一定要固定 题外话, 为什么不用电容电感或者电阻? 电阻降压是有的, 但是比较少, 应用场合和电容降压一样, 但是电阻消耗的是有功功率, 功耗大 电感降压? 原理上和电容一样, 但是估计精确的电感不好做, 没有电容容易得到, 所以没有用电感的
一种新颖的电容降压型直流稳压辅助电源 关键字 : 电容降压型直流稳压辅助电源 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 A 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
APAITOR) 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 D 电压 12V,D 电流 300mA; 输入电源 220V A/50HZ 市电 1) 降压电容 1 的选择 : a. 1 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 : 1 1/2лfU 式中交流电源 U 值计算时取负 10%, 即 :I=300mA,U=220V*(-10%)=198V,f=50HZ, 1 0.3(2*3.14156*50*198)=4.82(µF) 电容值只可取大, 不可取小, 本例电容 1 取值 5µF b. 耐压值的选择 : 要考虑电源正 10% 的情况, 如本例用市电,1 要选择 250V A 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 250VA 电容值为 5µF 的金属膜电容的 du/dt 值一般在 3-30 之间选择 在本例中 :1=5µF,du/dt 值取 3, 则 1 耐瞬间冲击电流值为 : I=du/dt=5*3=15(A) 2) 限流电阻 R1 的选择 : 先求 1 的容抗 : Xc=1/2лf=1/(2*3.1416*50*0.000005)=636.36Ω 则复阻抗 : Z =638.3Ω (R1 取值为 47Ω) 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*47Ω =16.2V 求出电阻实际承受的功率 : PR=16.2V*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 180Ω1/6W;T1 管响应负载电流的大小变化, 负 载电流可在 0-300mA 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 30Ω/3W 2. 半波整流稳压电路 : 规格要求 : 输出一组 24V D 电压 ( 如提供继电器工作用 ), 一组 D 电压 5V( 如供微 控制器工作或双向可控硅触发电流用 ), 输出 D 电流 60mA; 输入电源 220V/50HZ 1) 降压电容 1 的选择 : a. 流过电容 1 的电流约是负载电流的两倍, 即 120mA, 得出 : 1 1/2лfU=0.12(2*3.14156*50*198)=1.93(µF) 1 的实际取值 2µF b. 选择耐压值为 250V A 的金属膜电容 c. 瞬间冲击电流值为 : I=du/dt=2*3=6(A) 2) 限流电阻 R1 的选择 : 电路的复阻抗 : Xc=1/(2*3.14156*50*0.000002)=1.464KΩ Z =1.467 KΩ (R1 取值 100Ω) 求得电流有效值 :
I=U/ Z =220/1.467=150mA 再求出电阻承受的有效电压值为 : UR=150mA 100 =15V 求出电阻实际承受的功率 : PR=15V 150mA=2.25W (R1 的功率取 3W) 3) 半波整流电路 :D1 作半波整流用,2 3 为滤波电容, 交流电源 U 上半周时, 经 1 R1 降压, 由 D1 整流后给电容 2 平滑滤波输出 D2 的作用 : 交流电源 U 下半周时, 降压电容 1 经由 D2 放电 4) 稳压分流 : ZD1 ZD2 R3 组成 D 24V 稳压即分流电路,T1 ZD3 和 R4 组成 D 5V 稳压电路 五 结语 1 电路结构非常简单, 具有体积小 重量轻, 有利于实现电子设备的小型化 ; 成本 ; 2 省去了电源变压器, 对元器件的要求也不高, 成本非常低, 有力于降低电子设备的 3 电容降压电路是一个电流源, 只需改变基准电压元件, 就可得到很宽范围内的任一 D 电压源 ; 4 这种电路, 输出 D 电压与输入 A 电源之间是不隔离的, 因此, 它用在不需隔离的电子设备中, 如在一些控制 检测 分析电子装置中, 在家用电器等电子设备中, 特别是在小家电领域具有广泛的实用价值 ; 5 金属膜电容的容量还不能做得很大, 因此, 这种电路通常用在小功率直流稳压电源的电子设备中