一種新穎的電容降壓型直流穩壓電源電路

2021-01-15 電子發燒友

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複雜，成本高，電源紋波大，RFI和EMI幹擾是難以解決的。　　

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

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：相當於普通穩壓電路中的降壓變壓器，直接接入交流電源迴路中，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，因此在迴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：電壓降壓迴路中，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，要有分流迴路，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：　　電容值取決於負載電流，負載電流I確定後,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. 耐瞬間衝擊電流的選擇：

　　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於電容值和它的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耐瞬間衝擊電流值為：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矽觸發電流用），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.瞬間衝擊電流值為：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整流後給電容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。

使用注意事項:

 1.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。

2、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。

1、電路結構非常簡單，具有體積小、重量輕，有利於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，有力於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，就可得到很寬範圍內的任一DC電壓源；　　

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