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电容降压电源原理和计算公式

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在常用的低压电源中,用电容器降压(实际是电容限流)与用变压器相比,电容降压的电源体积小、 经济、可靠、效率高,缺点是不如变压器变压的电源安全。通过电容器把交流电引入负载中,对地有 220V 电压,人易触电,但若用在不需人体接触的电路内部电路电源中,本弱点也可克服。如冰箱电子温控器或 遥控电源的开/关等电源都是用电容器降压而制作的。相对于电阻降压,对于频率较低的 50Hz 交流电而言, 在电容器上产生的热能损耗很小,所以电容器降压更优于电阻降压。 

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电容降压电源原理和计算公式 在常用的低压电源中,用电容器降压(实际是电容限流)与用变压器相比,电容降压的电源体积小、 经济、可靠、效率高,缺点是不如变压器变压的电源安全。通过电容器把交流电引入负载中,对地有 220V 电压,人易触电,但若用在不需人体接触的电路内部电路电源中,本弱点也可克服。如冰箱电子温控器或 遥控电源的开/关等电源都是用电容器降压而制作的。相对于电阻降压,对于频率较低的 50Hz 交流电而言, 在电容器上产生的热能损耗很小,所以电容器降压更优于电阻降压。 电容降压的工作原理并不复杂,其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 3180Ω。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,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,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。这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。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。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=30mA f 为电源频率单位 HZ; C 为电容容值单位法拉 F; V 为电源电压单位伏 V; Zc=2*Pi*f*C 为阻抗阻值,单位Ω。 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=60mA 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。 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)= 9.65KΩ 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。使用时需注意以下事项: 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、未和 220V 交流高压隔离,请注意安全,严防触电!电容降压不能用于大功率条件,因为不安全。 3、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。 4、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。 5、限流电容必须采用无极性电容,绝对不能采用电解电容。且电容耐压须在 400V 以上。最理想的电 容为铁壳油浸电容。为保证 C1 可靠工作,其耐压选择应大于两倍的电源电压。 6、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。 7、电容降压不适合动态负载条件。同样,电容降压不适合容性和感性负载。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。 电容降压式电源中电容器的选用及注意事项 相对于电阻降压,对于频率较低的 50Hz 交流电而言,在电容器上产生的热能损耗很小,所以电容器 降压更优于电阻降压。通过电容器电流的大小,取决于电容器容抗 Xc=1╱(2πfC),Xc 的单位是欧姆; 交流电频率 f 的单位是赫兹;电容器 C 的单位是 F。 当将不同容量的电容器 C(如图 1 所示),接入 AC220V 50Hz 的交流电路时,其 C 的容抗及其所能 通过的电流如附表所列。该电流即电容器 C 所能提供的最大电流值。 电容量(uF) 0.33 0.39 0.47 0.56 0.68 0.82 1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.7 容抗(kΩ) 9.7 8.2 6.8 5.7 4.7 3.9 3.2 2.7 2.1 1.8 1.4 1.2 电流(mA) 23 27 32 39 47 56 69 81 105 122 157 183 用电容器降压制作电源时,必须注意以下几点:①经电容器降压后,必须如图 2 所示经整流、滤波及 稳压二极管稳压后,才能获得电压稳定的电源(注:整流电路也可用半波整流)。②电容器耐压最好在 630V 以上,并应用无极性的电容器,有极性电容器不能用。③在电容器两端并联 500K-1M 的泄放电阻。④若 需要加电源开关,为防止浪涌电流对负载 RL 并联,如图 3 所示。⑤在组装调试过程中要用 1:1 隔离变压 器接入 AC220V 电路中,以防触电。

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