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阻容降压原理
阻容降压原理
作者:
佚名 文章来源:
本站原创 点击数:
6596 更新时间:
2007-11-28
将220V交流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,但是当产品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方式。
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。
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/(2πfC)=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=14.5I,其中C的容量单位是μF,Io的单位是A.
四、应用注意
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。
7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。
电容降压电路的特点及元器件选择
作者:
佚名 文章来源:
本站原创 点击数:
5053 更新时间:
2007-9-29
在电子制作href="/Article/dzzz/Index.html">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0.33~3.3uF。
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2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图。
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。
一、阻容降压原理
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。
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。
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/(2πfC)=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=14.5I,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。
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220VAC50HZ)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(METALLIZEDPOLYESTERFILMCAPACITOR)。
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220VAC/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:
C1≥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,
C1≥0.3(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250VAC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3-30之间选择。
在本例中:
C1=5uF,du/dt值取3,则C1耐瞬间冲击电流值为:
I=Cdu/dt=5*3=15(A)
2)限流电阻R1的选择:
先求C1的容抗:
Xc=1/2лfC=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24VDC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:
C1≥1/2лfU=0.12(2*3.14156*50*198)=1.93(uF)
C1的实际取值2uF。
b.选择耐压值为250VAC的金属膜电容。
c.瞬间冲击电流值为:
I=Cdu/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|=1.467KΩ (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,C2、C3为滤波电容,交流电源U上半周时,经C1、R1降压,由D1整流后给电容C2平滑滤波输出
D2的作用:
交流电源U下半周时,降压电容C1经由D2放电。
4)稳压分流:
ZD1、ZD2、R3组成DC24V稳压即分流电路,T1、ZD3和R4组成DC5V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;
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成本;
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DC电压源;
4、注意:
这种电路输出DC电压与输入AC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;正因为没有隔离,所以应用在需要隔离的电子设备中不合适。
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。
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- 降压 原理