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[资料分享] 电阻电容降压电路

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发表于 2017-1-22 08:59:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。

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。
360截图20170122090148929.jpg

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三几十伏,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

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。

使用这种电路时,需要注意以下事项:
1、未和220V交流高压隔离,请注意安全,严防触电!
2、限流电容须接于火线,耐压要足够大(大于400V),并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。
3、注意齐纳管功耗,严禁齐纳管断开运行。



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 楼主| 发表于 2017-1-22 09:00:15 | 显示全部楼层
360截图20170122090250656.jpg
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。33~3.3uF。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100~200,而滤波电容一般为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电阻,可以画出图的交流等效电路。同时满足了XC1>R的条件,所以可以画出电压向量由于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。




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 楼主| 发表于 2017-1-22 09:01:03 | 显示全部楼层
360截图20170122090350294.jpg

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。

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*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。

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 /(2 πf 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。

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。

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。

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。



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maychang

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发表于 2017-1-25 16:25:14 | 显示全部楼层
“加串防浪涌冲击兼保险电阻”
各图中均未画出。这个防浪涌冲击电阻是一定要接入的,绝对不能少。

!!!.jpg
此电阻电容降压电路没有考虑到暂态过程,所以在上电过程中稳压管DZ1容易被烧毁。
暂态过程是不能不考虑的。任何靠市电供电的电源不可能一直接在交流市电上,总要接一支开关,如下图中开关K。就算一直接在交流市电上,也是焊接好电路之后再将其接到交流市电。
!!!1.png
我们知道,单相交流市电基本上是正弦波形。但在开关K闭合瞬间,绝对不可以认为是正弦波形。由于开关K闭合时刻是随机事件,发生在交流市电的任何相位均有可能。
如果开关K闭合于下图中时刻t1,倒还不至于出什么问题。正弦交流在过零前后瞬时值比较小。比较小的电压作用于已经放电的电容上,电流不会很大。
正弦1.png
但是如果开关K闭合于图中时刻t2,那就麻烦了。220V正弦交流峰值为311V,在过峰值前后一小段时间里电压相当高。这么高的电压突然施加到已经放电的电容上,电流会非常大。该尖峰电流仅受整流桥两支二极管、稳压管内阻和线路内阻的限制。实际测量的结果,在多次开关闭合中该尖峰电流最大可达100A甚至更多,持续时间大约10微秒数量级。
这么大的瞬时电流,通常不会烧毁例如1N4007这类整流管,但很可能烧毁稳压管,整流管抗冲击电流的能力比稳压管要强得多。即使将稳压管耗散功率用到1W,也很难避免稳压管被烧毁。这样的事情发生过多次。
由于开关闭合时的相位是随机的,所以不是每次都必定烧毁稳压管。最危险的情况是上图中时刻t2开关断开,时刻t3又闭合。时刻t2开关断开,电容C1来不及通过电阻R1放电(R1C1的时间常数远大于10毫秒),被充电正向最高电压,时刻t3开关闭合,交流市电输入电压与电容两端电压相加,串联的整流管和稳压管以及线路内阻等要承受双倍的最高电压。



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maychang

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发表于 2017-1-25 16:28:12 | 显示全部楼层
想避免稳压管被烧毁,需要在电路中串联一支限流电阻,如下图中的R
!!!2.png
这支限流电阻也是要承受电流冲击的,需要一定抗电流冲击能力。所以该电阻最好使用线绕电阻,因为线绕电阻抗电流冲击能力最强。但线绕电阻比较贵,这和电阻电容降压低成本的目标矛盾,所以应该考虑是否能够使用抗电流冲击能力较差的普通金属膜电阻。经实际实验,电阻R可以用普通金属膜电阻,但电阻值有讲究。
该限流电阻若用得比较小,例如10欧姆,那么电流峰值仍然可能比较大。此时该限流电阻容易烧毁。实验结果,R的电阻值比较大情况下反而不易烧毁,显然这是因为开关闭合时刻的电流峰值比较小。所以,该电阻应该尽量大一些,大到电路稳定时该电阻能够承受即可。例如电容C10.47uF,那么50Hz频率下容抗为6775欧,稳态电流可以估计为220/6775=0.032(A)。如果电阻R150欧,那么该电阻上稳态功率耗散为0.16W。对额定耗散功率0.25W的金属膜电阻来说,比较合适。该限流电阻用250欧就太大了,耗散功率超出额定值。
最危险的情况是开关K接触不可靠,时通时断。这种情况下,电阻R、稳压管等元件可能在短时间内受到多次电流冲击,非常容易烧毁。
最后再强调一句:强烈建议不要使用这种由市电经电容降压来取得低压电源的电路,因为这种电路太危险。

点评

分析的到位,学习参考  详情 回复 发表于 2017-2-5 09:00


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 楼主| 发表于 2017-2-5 09:00:19 | 显示全部楼层
maychang 发表于 2017-1-25 16:28
想避免稳压管被烧毁,需要在电路中串联一支限流电阻,如下图中的R。这支限流电阻也是要承受电流冲击的,需 ...

分析的到位,学习参考


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