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電容降壓型直流穩壓輔助電源及阻容降壓原理和計算公式

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樓主
ID:104835 發表于 2016-2-4 02:23 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
本帖最后由 51黑科技 于 2016-2-4 02:24 編輯

一種新穎的電容降壓型直流穩壓輔助電源
本文介紹一種新穎的電容降壓型直流穩壓電路,電路不含變壓器,只由幾個簡單的電子元件組成。輸出DC電壓可在很寬的范圍內任意調節,只需要改變基準電壓元件。

一、 概述
  
  電子工程師總是在不斷追求減小設備體積,優化設計,以期最大限度地降低設備成本。其中,減小作為輔助電源的直流穩壓電源電路部分的體積,往往是最難解決的問題之一。
  
  普通的線性直流穩壓電源電路效率比較低,電源的變壓器體積大,重量重,成本較高。
  
  開關電源電路結構較復雜,成本高,電源紋波大,RFI和EMI干擾是難以解決的。
  
  下文介紹的是一種新穎的電容降壓型直流穩壓電源電路。
  
  這種電路無電源變壓器,結構非常簡單,具體有:體積小、重量輕、成本低廉、動態響應快、穩定可靠、高效(可達90%以上)等特點。

二、 電容降壓原理
  
  當一個正弦交流電源U(如220V AC 50HZ)施加在電容電路上時,電容器兩極板上的電荷,極板間的電場都是時間的函數。也就是說:電容器上電壓電流的有效值和幅值同樣遵循歐姆定律。
  
  即加在電容上的電壓幅值一定,頻率一定時,就會流過一個穩定的正弦交流電流ic。容抗越小(電容值越大),流過電容器的電流越大,在電容器上串聯一個合適的負載,就能得到一個降低的電壓源,可經過整流,濾波,穩壓輸出。
  
  電容在電路中只是吞吐能量,而不消耗能量,所以電容降壓型電路的效率很高。

三、 原理方框圖



  電路由降壓電容,限流,整流濾波和穩壓分流等電路組成。
  
  1.降壓電容:相當于普通穩壓電路中的降壓變壓器,直接接入交流電源回路中,幾乎承受全部的交流電源U,應選用無極性的金屬膜電容(METALLIZED POLYESTER FILM CAPACITOR)。
  
  2.限流電路:在合上電源的瞬間,有可能是U的正或負半周的峰_峰值,此時瞬間電流會很大,因此在回路中需串聯一個限流電阻,以保證電路的安全。
  
  3.整流濾波:有半波整流和全波整流,與普通的直流穩壓電源電路的設計要求相同。
  
  4.穩壓分流:電壓降壓回路中,電流有效值I是穩定的,不受負載電流大小變化的影響,因此在穩壓電路中,要有分流回路,以響應負載電流的大小變化。

四、 設計勢實例

  1.橋式全波整流穩壓電路:


  規格要求:輸出DC電壓12V,DC電流300mA;輸入電源220V AC/50HZ 市電。

  1)降壓電容C1的選擇:
  
  a. C1容值的選擇:
  
  電容值取決于負載電流,負載電流I確定后,可得:
C1≥1/2лfU


  式中交流電源U值計算時取負10%,即:I=300mA,U=220V*(-10%)=198V,f=50HZ,
C1≥0.3(2*3.14156*50*198)=4.82uF)

電容值只可取大,不可取小,本例電容C1取值5uF。

  b. 耐壓值的選擇:
 
  要考慮電源正10%的情況,如本例用市電,C1要選擇250V AC的金屬膜電容。

  c. 耐瞬間沖擊電流的選擇:

  金屬膜電容的內阻是很低的,允許電容在吞吐能量時,有大的電流流過,這個電流的大小取決于電容值和它的du/dt值,此值由電容的結構,金屬膜的類型,引出線的方式決定的。
  
  du/dt值與電容的耐壓值有關,耐壓越高,du/dt值越大,不同廠家產品du/dt值也有很大的差別,如耐壓為250VAC電容值為5uF的金屬膜電容的du/dt值一般在3-30之間選擇。
  
  在本例中:C1=5uF,du/dt值取3,則C1耐瞬間沖擊電流值為:
  
I=Cdu/dt=5*3=15(A)


  2)限流電阻R1的選擇:
  
  先求C1的容抗:
Xc=1/2лfC=1/(2*3.1416*50*0.000005)=636.36Ω


  則復阻抗:|Z|=638.3Ω (R1取值為47Ω)

  求得電流有效值為:
I=U/|Z|=220/638.3344.7mA


  電阻實際承受的有效電壓值:
UR=344.7mA*47Ω =16.2V


求出電阻實際承受的功率:
  
PR=16.2V*344.7mA=5.58W  (R1選用線繞電阻器,功率取7.5W)


  3)穩壓分流電路:
 
  穩壓管ZD1和T1管E-B結,R3組成穩壓電路,T1,R2組成分流電路。
 
  ZD1選用11.3V的穩壓管;R3阻值取180Ω1/6W;T1管響應負載電流的大小變化,負載電流可在0-300mA內變化,T1選用2W的PNP管,電流放大倍數≥200;R2用作負載電流較小時,分擔一部分T1管的功率,R2取值30Ω/3W。

2.半波整流穩壓電路:



  規格要求:輸出一組24V DC電壓(如提供繼電器工作用),一組DC電壓5V(如供微控制器工作或雙向可控硅觸發電流用),輸出DC電流60mA;輸入電源220V/50HZ。

  1)降壓電容C1的選擇:

  a.流過電容C1的電流約是負載電流的兩倍,即120mA,得出:
C1≥1/2лfU=0.12(2*3.14156*50*198)=1.93(uF)

  C1的實際取值2uF。

  b.選擇耐壓值為250V AC的金屬膜電容。

  c.瞬間沖擊電流值為:
I=Cdu/dt=2*3=6(A)


  2)限流電阻R1的選擇:

  電路的復阻抗:
    
    Xc=1/(2*3.14156*50*0.000002)=1.464KΩ
      |Z|=1.467 KΩ (R1取值100Ω)

  求得電流有效值:

    I=U/|Z|=220/1.467=150mA

  再求出電阻承受的有效電壓值為:

    UR=150mA×100 =15V

  求出電阻實際承受的功率:

    PR=15V×150mA=2.25W (R1的功率取3W)

  3)半波整流電路:D1作半波整流用,C2、C3為濾波電容,交流電源U上半周時,經C1、R1降壓,由D1整流后給電容C2平滑濾波輸出

  D2的作用:交流電源U下半周時,降壓電容C1經由D2放電。

  4)穩壓分流:

  ZD1、ZD2、R3組成DC 24V穩壓即分流電路,T1、ZD3和R4組成DC 5V穩壓電路。

五、結語

  1、電路結構非常簡單,具有體積小、重量輕,有利于實現電子設備的小型化;

  2、省去了電源變壓器,對元器件的要求也不高,成本非常低,有力于降低電子設備的成本;

  3、電容降壓電路是一個電流源,只需改變基準電壓元件,就可得到很寬范圍內的任一DC電壓源;

  4、注意:這種電路輸出DC電壓與輸入AC電源之間是不隔離的,因此,它用在不需隔離的電子設備中,如在一些控制、檢測、分析電子裝置中,在家用電器等電子設備中,特別是在小家電領域具有廣泛的實用價值;正因為沒有隔離,所以應用在需要隔離的電子設備中不合適。

  5、金屬膜電容的容量還不能做得很大,因此,這種電路通常用在小功率直流穩壓電源的電子設備中。


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沙發
ID:104835 發表于 2016-2-4 02:24 | 只看該作者
阻容降壓原理和計算公式

這一類的電路通常用于低成本取得非隔離的小電流電源。它的輸出電壓通常可在幾伏到三幾十伏,取決于所使用的齊納穩壓管。所能提供的電流大小正比于限流電容容量。采用半波整流時,每微法電容可得到電流(平均值)為:(國際標準單位)

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

f為電源頻率單位HZ;C為電容容值單位F法拉;V為電源電壓單位伏V;Zc=2*Pi*f*C為阻抗阻值單位歐姆.

如果采用全波整流可得到雙倍的電流(平均值)為:
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,此類電路全波整流雖電流稍大,但是因為浮地,穩定性和安全性要比半波整流型更差,所以用的更少。

使用這種電路時,需要注意以下事項:

1、未和220V交流高壓隔離,請注意安全,嚴防觸電!
2、限流電容須接于火線,耐壓要足夠大(大于400V),并加串防浪涌沖擊兼保險電阻和并放電電阻。
3、注意齊納管功耗,嚴禁齊納管斷開運行。


電容降壓式電源將交流式電轉換為低壓直流


電容降壓原理

電容降壓的工作原理并不復雜。他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個1uF的電容所產生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA,但在電容器上并不產生功耗,應為如果電容是一個理想電容,則流過電容的電流為虛部電流,它所作的功為無功功率。根據這個特點,我們如果在一個1uF的電容器上再串聯一個阻性元件,則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。例如,我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯,在接到220V/50Hz的交流電壓上,燈泡被點亮,發出正常的亮度而不會被燒毀。因為110V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA,它與1uF電容所產生的限流特性相吻合。同理,我們也可以將5W/65V的燈泡與1uF電容串聯接到220V/50Hz的交流電上,燈泡同樣會被點亮,而不會被燒毀。因為5W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA。因此,電容降壓實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態分配電容器和負載兩端電壓的角色。

將交流式電轉換為低壓直流的常規方法是采用變壓器降壓后再整流濾波,當受體積和成本等因素的限制時,最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源。

一、電路原理

電容降壓式簡易電源的基本電路如圖1,C1為降壓電容器,D2為半波整流二極管,D1在市電的負半周時給C1提供放電回路,D3是穩壓二極管,R1為關斷電源后C1的電荷泄放電阻。在實際應用時常常采用的是圖2的所示的電路。當需要向負載提供較大的電流時,可采用圖3所示的橋式整流電路。

整流后未經穩壓的直流電壓一般會高于30伏,并且會隨負載電流的變化發生很大的波動,這是因為此類電源內阻很大的緣故所致,故不適合大電流供電的應用場合。

二、器件選擇

1. 電路設計時,應先測定負載電流的準確值,然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因為通過降壓電容C1向負載提供的電流Io,實際上是流過C1的充放電電流 Ic。C1容量越大,容抗Xc越小,則流經C1的充、放電電流越大。當負載電流Io小于C1的充放電電流時,多余的電流就會流過穩壓管,若穩壓管的最大允許電流Idmax小于Ic-Io時易造成穩壓管燒毀.

2.為保證C1可靠工作,其耐壓選擇應大于兩倍的電源電壓。

3.泄放電阻R1的選擇必須保證在要求的時間內泄放掉C1上的電荷。

三、設計舉例

圖2中,已知C1為0.33μF,交流輸入為220V/50Hz,求電路能供給負載的最大電流。 C1在電路中的容抗Xc為:

Xc=1 /(2 πf C)= 1/(2*3.14*50*0.33*10-6)= 9.65K

流過電容器C1的充電電流(Ic)為:

Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

通常降壓電容C1的容量C與負載電流Io的關系可近似認為:C=14.5 I,其中C的容量單位是μF,Io的單位是A。

電容降壓式電源是一種非隔離電源,在應用上要特別注意隔離,防止觸電。



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