阻容降压电路分析

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楼主 2018-11-13 14:49:00
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因受到成本的制约,具有成本优势的阻容降压在现在的电控风扇和其它小家电中应用非常广泛,现就目前最常用的半波整流电路对其进行详细的分析;


此图是一个220VAC/50Hz供电输出5.1VDC <30mA的阻容降压原理图,交流电源从ACL和ACN端输入,其中FUSE(F2A250V保险管)为过流保护,VAR(10D511K压敏电阻)为浪涌保护,C1(MKP-X2  0.1uF/275VAC安规电容)为交流滤波电容,因这三个器件和线路板(或称PCB)直接关系到控制器的安全与电磁兼容性,所以它们必须通过销售国的安全认证,如在中国销售的必须通过CCC认证,其它如美国的UL认证、欧洲的TUV或VDE认证、日本的JET认证等。

电路中C2是降压电容;常用CL21聚脂或CBB21聚丙烯(价格高,性能好),其容抗 Rc=1/2ΠFC2,其中Π≈3.14,F=电网频率(50Hz),C2为电容容量,单位是F(法拉),所以此图中C2的容抗Rc≈3.184KΩ,在220VAC输入半波整流条件下最大能输出34.54mA电流,但在实际使用当中,电网电压和电网频率都有波动,所以我们在设计此电容大小时必须考虑到最坏的情况下使用不会出现异常和损坏,还要求在设计时余量不能预留过大以降低整机功耗,同时此电容容量越大电路越不安全,我们在设计此电路时,如果220VAC供电情况下容量超过2.5uF,120VAC供电情况下容量超过4uF就因该放弃阻容降压考虑其它电路。

电路中R1是为C2放电的电阻;防止在快速插拔电源插头或插头接触不良时C2电容上的残余电压和电网电压叠加对后续器件形成高压冲击和防止拔出电源插头后接触到人体对人员产生伤害,所以此RC时间常数在理想状态下≤T(T=1/F,F=50Hz),但在实际使用当中R1不能取太小,否则R1功耗太大,一般我们取RC时间常数≤300mS,另外还要注意此电阻的耐压,我们常用的0.25W碳膜电阻耐压是500V,0.5W碳膜电阻耐压是700V,具体可以参考电阻厂家的性能手册。

电路中R2、R3为限流电阻;此电阻主要是防止首次上电和在快速插拔电源插头或插头接触不良时所产生的高压冲击对整流二极管的损坏,电容C2在首次上电如果刚好碰在波峰处,因C2在通电瞬间呈短路状态,此时交流电源直接加在R2、R3和整流管上,R2、R3上有220VAC×1.414=311VDC瞬间直流电压;电容C2在快速插拔电源插头或插头接触不良时,如果电容C2在第n+1波峰处断电,在n+2波峰处通电,电容C2在n+1到n+2时间内放掉⊿V(由C2,R1决定),此时R2、R3上有220VAC×1.414+(220VAC×1.414-⊿V) =622VDC-⊿V瞬间直流电压,如果考虑到电网电压的波动,此电压会更高,所以R2,R3要选择耐电流冲击强和耐高压的电阻,一般选用大功率氧化膜电阻或金膜电阻,R2、R3总电阻不能太小,也不能太大,电阻太小冲击电流大,电阻太大整个电路功耗增大,整流二极管的峰值电流一般会比较大,如1N400X系列峰值电流为200A,所以一般取R2、R3总电阻=40-50Ω之间。

电路中D1、D2为整流二极管,组成半波整流回路,C3、C4组成第一级滤波,这里要注意的是C3、C4电容的耐压值和电网最高电压、电网最高频率、C2、ZD1、R4有关,如果此产品最高工作电压是242VAC,电网最高频率是53Hz,则C3,C4最高耐压≈(242VAC×1.414)/(1/2ΠFC2)×R4+5.1≈22.2VDC,所以C3、C4选用耐压≥25VDC的产品,R4、C5、C6组成第二级RC滤波同时ZD1将电压稳定在5.1VDC上, R4的大小决定了产品在低工作电压下的纹波大小,R5是放电电阻,R5的作用首先是在快速插拔电源插头或插头接触不良时在断电瞬间对滤波电容放电,以使通电瞬间时的冲击电流从电容上耦合过去,防止冲击电流加到稳压二极管上造成稳压二极管损坏,同时从这点考虑,在处理PCB布线时必须将稳压二极管放在滤波电容C5、C6后面,防止PCB铜箔上的寄生电感和铜箔电阻对滤波的影响。

阻容降压电路的设计计算

阻容降压电路的设计,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 /(2πf 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。





几个实用电路阻容降压原理


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。


电路一,




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


电路二,




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。

电路三,




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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