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        電容降壓的工作原理與計算

        作者:huqin   來源:本站原創   點擊數:  更新時間:2014年03月01日   【字體:

        電容降壓的工作原理
        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。
        采用電容降壓時應注意以下幾點:
        1 根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容,而不是依據負載的電壓和功率。
        2 限流電容必須采用無極性電容,絕對不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上。最理想的電容為鐵殼油浸電
        容。
        3 電容降壓不能用于大功率條件,因為不安全。
        4 電容降壓不適合動態負載條件。
        5 同樣,電容降壓不適合容性和感性負載。
        6 當需要直流工作時,盡量采用半波整流。不建議采用橋式整流。而且要滿足恒定負載的條件。
        以上是電容降壓工作原理的簡單介紹。前些日子我曾再次提出一個問題,就是只用電阻和電容可以組成什么電路,進一步
        講只用一個電阻和一個電容可以組成什么電路。此篇可以是一個回答,有興趣的可以再想一想還能組成什么電路。其實電阻、
        電容和電感作為電子電路的基本元件,熟知它們的特性并靈活地應用它。
        采用電容降壓電路是一種常見的小電流電源電路﹐由于其具有體積小﹑成本低﹑電流相對恒定等優點﹐也常應用于LED的驅
        動電路中。
        圖一 為一個實際的采用電容降壓的LED驅動電路﹕請注意﹐大部分應用電路中沒有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管﹐
        建議連接上﹐因壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管能在電壓突變瞬間( 如雷電﹑大用電設備起動等 )有效地將突變電流泄放﹐從而
        保護二級關和其它晶體管﹐它們的響應時間一般在微毫秒級。
        電路工作原理﹕
        電容C1的作用為降壓和限流﹕大家都知道﹐電容的特性是通交流﹑隔直流﹐當電容連接于交流電路中時﹐其容抗計算公式
        為﹕
        第1頁
        XC = 1/2πf C
        式中﹐XC 表示電容的容抗﹑f 表示輸入交流電源的頻率﹑C 表示降壓電容的容量。
        流過電容降壓電路的電流計算公式為﹕
        I = U/XC
        式中 I 表示流過電容的電流﹑U 表示電源電壓﹑XC 表示電容的容抗在220V﹑50Hz的交流電路中﹐當負載電壓遠遠小于2
        20V時﹐電流與電容的關系式為﹕
        I = 69C
        其中電容的單位為uF﹐電流的單位為mA
        下表為在220V﹑50Hz的交流電路中﹐理論電流與實際測量電流的比較
        電阻R1為泄放電阻﹐其作用為﹕當正弦波在最大峰值時刻被切斷時﹐電容C1上的殘存電荷無法釋放﹐會長久存在﹐在維修時如
        果人體接觸到C1的金屬部分﹐有強烈的觸電可能﹐而電阻R1的存在﹐能將殘存的電荷泄放掉﹐從而保證人﹑機安全。泄放電阻
        的阻值與電容的大小有關﹐一般電容的容量越大﹐殘存的電荷就越多﹐泄放電阻就阻值就要選小些。經驗數據如下表﹐供設計
        時參考﹕
        D1 ~ D4的作用是整流﹐其作用是將交流電整流為脈動直流電壓。
        C2﹑C3的作用為濾波﹐其作用是將整流后的脈動直流電壓濾波成平穩直流電壓
        壓敏電阻( 或瞬變電壓抑制晶體管 )的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓電壓對地泄放掉﹐從而保護LED不被瞬間高壓擊穿。
        LED串聯的數量視其正向導通電壓( Vf )而定﹐在220V AC電路中﹐最多可以達到80個左右。
        組件選擇﹕電容的耐壓一般要求大于輸入電源電壓的峰值﹐在220V,50Hz的交流電路中時﹐可以選擇耐壓為400伏以上的滌綸電
        容或紙介質電容。
        D1 ~D4 可以選擇IN4007。
        濾波電容C2﹑C3的耐壓根據負載電壓而定﹐一般為負載電壓的1.2倍。其電容容量視負載電流的大小而定。
        第2頁

        電容降壓電源原理及相關計算----適用于低單價、抗干擾要求較低的電路(略有補充)
        將交流市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。(電流的有效值)
        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
        電容降壓電源原理和計算公式
        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?稍趲追饺龓
        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
        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。
        采用電容降壓電路是一種常見的小電流電源電路﹐由于其具有體積小﹑成本低﹑電流相對恒定等
        優點﹐也常應用于LED 的驅動電路中。
        圖一為一個實際的采用電容降壓的LED 驅動電路﹕請注意﹐大部分應用電路中沒有連接壓敏電阻
        或瞬變電壓抑制晶體管﹐建議連接上﹐因壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管能在電壓突變
        瞬間( 如雷電﹑大用電設備起動等)有效地將突變電流泄放﹐從而保護二級關和其
        它晶體管﹐它們的響應時間一般在微毫秒級。
        電路工作原理﹕
        電容C1 的作用為降壓和限流﹕大家都知道﹐電容的特性是通交流﹑隔直流﹐當電容連接于交流
        電路中時﹐其容抗計算公式為﹕
        XC = 1/2πf C
        式中﹐XC 表示電容的容抗﹑f 表示輸入交流電源的頻率﹑C 表示降壓電容的容量。
        流過電容降壓電路的電流計算公式為﹕
        I = U/XC
        式中I 表示流過電容的電流﹑U 表示電源電壓﹑XC 表示電容的容抗
        在220V﹑50Hz 的交流電路中﹐當負載電壓遠遠小于220V 時﹐電流與電容的關系式為﹕
        I = 69C(此公式與C=14.5I 是一樣的,單位不同而已) 其中電容的單位為uF﹐電流的單位
        為mA
        下表為在220V﹑50Hz 的交流電路中﹐理論電流與實際測量電流的比較
        電阻R1 為泄放電阻﹐其作用為﹕當正弦波在最大峰值時刻被切斷時﹐電容C1 上的殘存電荷無法
        釋放﹐會長久存在﹐在維修時如果人體接觸到C1 的金屬部分﹐有強烈的觸電可能﹐而電阻R1 的
        存在﹐能將殘存的電荷泄放掉﹐從而保證人﹑機安全。泄放電阻的阻值與電容的大小有關﹐一般
        電容的容量越大﹐殘存的電荷就越多﹐泄放電阻就阻值就要選小些。經驗數據如下表﹐供設計時
        參考﹕
        D1 ~ D4 的作用是整流﹐其作用是將交流電整流為脈動直流電壓。
        C2﹑C3 的作用為濾波﹐其作用是將整流后的脈動直流電壓濾波成平穩直流電壓
        壓敏電阻( 或瞬變電壓抑制晶體管)的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓電壓對地泄放掉﹐從
        而保護LED 不被瞬間高壓擊穿。
        LED 串聯的數量視其正向導通電壓( Vf )而定﹐在220V AC 電路中﹐最多可以達到80 個左右。
        組件選擇﹕電容的耐壓一般要求大于輸入電源電壓的峰值﹐在220V,50Hz 的交流電路中時﹐可以
        選擇耐壓為400 伏以上的滌綸電容或紙介質電容。
        D1 ~D4 可以選擇IN4007。
        濾波電容C2﹑C3 的耐壓根據負載電壓而定﹐一般為負載電壓的1.2 倍。其電容容量視負載
        電流的大小而定。
        下列電路圖為其它形式的電容降壓驅動電路﹐供設計時參考﹕
        在圖二電路中﹐可控硅SCR 及R3 組成保護電路﹐當流過LED 的電流大于設定值時﹐SCR 導通一
        定的角度﹐從而對電路電流進行分流﹐使LED工作于恒流狀態﹐從而避免LED 因瞬間高壓而損壞。
        在圖三電路中﹐C1﹑R1﹑壓敏電阻﹑L1﹑R2 組成電源初級濾波電路﹐能將輸入瞬間高壓濾除﹐
        C2﹑R2 組成降壓電路﹐C3﹑C4﹑L2﹑及壓敏電阻組成整流后的濾波電路。此電路采用雙重濾波電
        路﹐能有效地保護LED 不被瞬間高壓擊穿損壞。
        采用變壓器的供電電源體積較大,在一些要求小體積的制作中難以使用。本文介紹的小型無變壓器電源,能提供
        3~15V的電壓,最大電流150mA,可滿足小型電子設備的供電需要。
        電路如圖所示,220V經D2整流C1濾波,作為Q1的導通驅動電壓,當220V正半周開始、但W滑動端
        上電壓尚未足夠大時,Q2處于截止狀態,C1上的電壓經R4加在Q1的柵極使Q1導通,220V正半周經
        D1、R5、Q1對電容C2快速充電。當W滑動端的電壓升到足以使D3和Q2導通時,Q1柵極失去電壓而
        截止。調節W即可調節對C2的充電時間,也就調節了輸出電壓。由于Q1的導通時間極短,因此C2選用了大
        容量電容,以保證有較平滑的輸出電壓。
        電路中R5是限流電阻,可減小對C2充電電流的峰值。穩壓管D5是為了防止Q1因柵極電壓過高損壞而設。
        D4用作輸出保護,當C2兩端電壓過高時D4、Q2導通,使Q1截止。因在市電的負半周時電路不工作,為
        了加大輸出電流,可在輸入端加接一整流橋,使市電的正負半周都能得到利用,這樣可使輸出電流增加80mA,
        同時還能改善輸出電壓的平滑度。在實際應用時可將電位器W、R3用一個固定電阻代替。在輸出電壓穩定度要
        求高時,可加接三端穩壓IC。
        此電路簡單,只要焊接無誤即可工作。該電路無隔離措施,使用時電源的L線、N線不要接錯。

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