电容降压式电源

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电容降压式电源 [复制链接]

 

　　最近有人把坏的LED灯拿来维修，拆解后发现，大部分小功率的LED灯，几乎全都是阻容降压电路，要说安全性和稳定性就要看具体厂家的用料和元件参数的选择，暂且不表。但说这种电路由于其具有体积小﹑成本低﹑电流相对恒定等优点，采用电容降压原理来完成驱动电路设计的产品，已经逐渐在市场上立稳脚跟。采用这种设计的LED电源产品，均有较好的稳定性，且成本耗费较低。
      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，VD2 为半波整流二极管，VD1 在市电的负半周时给 C1 提供放电回路，VD3 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 0.33μF，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。

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类似这种电路，作为一般小功率的LED驱动的话，参数：输入电压220V，输出电压30V-120V，输出电流100-160MA

maychang

这类电容降压式电源，因起限制电流作用的是电容C1，所以在上电瞬间均存在一个电流尖峰，通常称为浪涌电流。电流尖峰数值与C1电容量成正比，与交流市电内阻成反比。该电流尖峰在农村地区(输电线较长，交流市电内阻较大)约数十A到百A，在供电线路较好的地区可达200A以上。当然，电流尖峰的大小还和合闸角(交流市电一个周期内哪一瞬间合闸)有很大关系。
此电流尖峰虽然持续时间很短(一般不超过1～2毫秒)，但足以烧毁整流二极管或者稳压二极管。尤其是在市电供电线路较好的情况下。

second_chan

低成本的驱动方式！

maychang

为限制上电瞬间的尖峰电流，通常要在电路中串联限流电阻，如图中红色R所示。该电阻在此电源工作时始终通过电流，要发热的。因此电阻值的选择应该保证该电阻正常工作时功率耗散不超过电阻允许值，并留有余量。在保证功率耗散不超过允许值前提下，电阻值应尽量大些。
欲限制尖峰电流，当然也可以在电路中串联电感。不过电感价格高，体积大。用电感的好处是发热小。但发热小的好处抵不过价格和体积的劣势。

maychang

楼主在2楼贴出的实物照片中，电路板上本来是有这支限流电阻位置的，如上图中红色箭头所指处。但实物照片中该限流电阻被跳线短路了。
由限流电阻被短路，可见该电路设计者只知其一，不知其二其三。

maychang

作为给LED供电的电源，应该接近于恒流源，而不应该接近于恒压源。
所以，作为给LED供电的电源，电路中根本不应该使用稳压管以稳定输出电压。稳定输出电压，是与给LED供电这个目的相抵触的。

maychang

要让这种电容降压式电源近似恒流输出，只要把图中稳压管和电解电容C2去掉即可。
去掉稳压管之后，显然电路输出电压由负载决定，输出电压等于输出电流乘以负载电阻。而输出电流完全由电容C1决定。
去掉电解电容C2，其输出是脉动直流。但为LED供电，电流脉动对发光没有什么影响，因为100Hz频率的闪烁，人眼看不出来。

maychang

去掉电解电容和稳压管，使这种电容降压式电源近似恒流输出，第一个好处显而易见：可以降低成本。
第二个好处：增加或者减少几支LED，不必修改电路参数(当然LED数量变化太大时还是要修改的)。因为该电源近似恒流输出，输出端两支LED串联和八支LED串联，该电源输出电流基本不变，那么每支LED发光的光通量也不变。即使LED串联数量达到20支，和仅有两支LED串联相比较，每支LED发光的光通量仅下降不到20％。

maychang

2楼照片中，为什么把限流电阻去掉，也并不会发生尖峰电流将二极管稳压管烧毁的事情？
这完全是电解电容的作用。
图中整流管是塑封的1N400X二极管。这种整流二极管抗冲击电流能力相当强。稳压管则抗冲击能力没有那么强，比较薄弱。如果没有限流电阻，稳压管必定先烧毁，而整流二极管不会烧毁(稳压管烧毁保护了整流二极管)。
但该电路稳压管两端并联了电解电容，因此尖峰电流大部分从电解电容中流过。这就保护了稳压管。
所以，在稳压管并联电解电容情况下，没有限流电阻关系不是很大，电解电容对稳压管起到了一定保护作用。

maychang

然而，去掉电解电容后情况完全不一样。因为没有电解电容的保护，稳压管很容易烧毁(倒也不一定第一次上电就立即损坏，因为每次上电不一定恰是冲击电流最大的那个合闸角)。
所以，要让该电容降压电路近似恒流输出而去掉稳压管和电解电容时，限流电阻必须加上，否则开关几次后整流二极管很容易损坏。
在整流输出处，串联的一串LED也要承受冲击电流，如果没有限流电阻，同样容易损坏。

maychang

前面说到的去掉(开路)稳压管和电解电容，串联两支LED和十支LED，每支LED发光基本不变，这件事很容易验证。取十支相同的LED，一支一支逐渐增加串联数量即可。
试验时务必注意人身安全，防止触电。

qwqwqw2088

maychang 发表于 2016-10-21 14:36
要让这种电容降压式电源近似恒流输出，只要把图中稳压管和电解电容C2去掉即可。
去掉稳压管之后，显然电路 ...

把C2去掉？
老师做过这方面的实验得出的结论，还是进行了计算？

此电路不怕短路怕断路。C2为防止断路而设，要注意的选取C2的耐压：如12只*2V=24V   选取耐压35--50V即可

qwqwqw2088

1.加滤波电容C2，主要是考虑在零状态响应时，让其相当于短路。
2.至于恒流，总路上串联的电容阻抗远大于其他元件总阻抗，电路的总电流就有这个容抗决定，这样控制恒流的。
I=U/（Zc+Zl）≈U/Zc,     Zc>>Zl

其实，这种阻容降压的电路，在小功率的LED驱动方面，其实相当的稳定，不然，不会有那么多南方的LED厂家用。
就某些厂家用的滤波电容的容量太小，抗击电流的能力不够，直接造成LED灯珠损坏。
这种电路不适合大电流使用，主要是因为限流电阻的功耗会增大，降低了整体灯具的光效，还有，滤波电容容量的增大会增大灯的体积，并且成本会增大。

maychang

qwqwqw2088 发表于 2016-10-21 15:28
把C2去掉？
老师做过这方面的实验得出的结论，还是进行了计算？

此电路不怕短路怕断路。C2为防止断路 ...

没有C2也没有稳压管的LED电源，做过十几个。不过没有照片。
不错，此电路不怕短路怕负载开路。但若没有C2也没有稳压管，负载开路也没有什么可击穿的。倒是没有稳压管，仅有C2时，负载开路C2必定击穿，除非C2用300V以上耐压的电解电容。那太贵了。

maychang

qwqwqw2088 发表于 2016-10-21 15:47
1.加滤波电容C2，主要是考虑在零状态响应时，让其相当于短路。
2.至于恒流，总路上串联的电容阻抗远大于其 ...

如果是为LED供电，电解电容实在没有必要。整个电路中，C1最贵，其次就是C2。
没有C2，发光是没有多少影响的，肉眼根本看不出来。

maychang

qwqwqw2088 发表于 2016-10-21 15:47
1.加滤波电容C2，主要是考虑在零状态响应时，让其相当于短路。
2.至于恒流，总路上串联的电容阻抗远大于其 ...

限流电阻，开始时我用较小电阻值的电阻，发现限流电阻很容易烧毁，显然是因为限流电阻不能承受尖峰电流冲击。后来改用较大电阻值，再也没有烧毁过。
“较大”的限制，是根据电阻容许耗散功率和稳态电流计算。必要时两支小功率电阻串联。
限流电阻阻值大，当然要耗散较多功率，发热。不过，也不到1W，只有半W。
多耗0.5W电，省去稳压管和电解电容，还是合算的。

qwqwqw2088

maychang 发表于 2016-10-21 15:56
如果是为LED供电，电解电容实在没有必要。整个电路中，C1最贵，其次就是C2。
没有C2，发光是没有多少影 ...

没有C2，电压会全部加到LED灯珠上。有C2在，在通电瞬间，吸收了峰值电流，保护LED灯珠免收大电流冲击，还有，就是在正常工作时，起到存储续流的作用，其实就是滤波作用。

maychang

qwqwqw2088 发表于 2016-10-21 16:07
没有C2，电压会全部加到LED灯珠上。有C2在，在通电瞬间，吸收了峰值电流，保护LED灯珠免收大电流冲击，还 ...

不错，没有C2的话，LED会受到上电时大电流冲击。但没有C2时的这种冲击若在一定限度之内，LED是能够承受的，而且不会因多次冲击而发生老化。
我现在床头灯就是用没有稳压管也没有电解电容C2的电路，共61支5毫米LED，用了四五年了。

qwqwqw2088

maychang 发表于 2016-10-21 16:34
不错，没有C2的话，LED会受到上电时大电流冲击。但没有C2时的这种冲击若在一定限度之内，LED是能够承受的 ...

四五年前的LED灯，用料还是可以的
现在买这种LED灯具，估计用不了这么长时间啊，，，

不过，还是建议老师，不要把一盏LED灯用四五年，并且几年前的LED色温都是5000K以上，虽说还发光亮着，但光的品质不一定好，LED的光谱是组合的，特别是色温如果太高，就快更换，家用LED灯具，推荐色温3000K的左右的，对眼睛好。