電容降壓型直流穩(wěn)壓輔助電源分析 - 全文

　　本文介紹一種新穎的電容降壓型直流穩(wěn)壓電路，電路不含變壓器，只由幾個(gè)簡(jiǎn)單的電子元件組成。輸出DC電壓可在很寬的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，只需要改變基準(zhǔn)電壓元件。

　　一、 概述

　　電子工程師總是在不斷追求減小設(shè)備體積，優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期最大限度地降低設(shè)備成本。其中，減小作為輔助電源的直流穩(wěn)壓電源電路部分的體積，往往是最難解決的問(wèn)題之一。

　　普通的線性直流穩(wěn)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(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)較復(fù)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(wěn)壓電源電路。

　　這種電路無(wú)電源變壓器，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，具體有：體積小、重量輕、成本低廉、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠、高效(可達(dá)90%以上)等特點(diǎn)。

　　二、 電容降壓原理

　　當(dāng)一個(gè)正弦交流電源U(如220V AC 50HZ)施加在電容電路上時(shí)，電容器兩極板上的電荷，極板間的電場(chǎng)都是時(shí)間的函數(shù)。也就是說(shuō)：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(shí)，就會(huì)流過(guò)一個(gè)穩(wěn)定的正弦交流電流ic。容抗越小(電容值越大)，流過(guò)電容器的電流越大，在電容器上串聯(lián)一個(gè)合適的負(fù)載，就能得到一個(gè)降低的電壓源，可經(jīng)過(guò)整流，濾波，穩(wěn)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

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　　電路由降壓電容，限流，整流濾波和穩(wěn)壓分流等電路組成。

　　1.降壓電容：相當(dāng)于普通穩(wěn)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(yīng)選用無(wú)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(fù)半周的峰_峰值，此時(shí)瞬間電流會(huì)很大，因此在回路中需串聯(lián)一個(gè)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(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)要求相同。

　　4.穩(wěn)壓分流：電壓降壓回路中，電流有效值I是穩(wěn)定的，不受負(fù)載電流大小變化的影響，因此在穩(wěn)壓電路中，要有分流回路，以響應(yīng)負(fù)載電流的大小變化。

　　四、 設(shè)計(jì)勢(shì)實(shí)例

　　1.橋式全波整流穩(wěn)壓電路：

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　　規(guī)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(fù)載電流，負(fù)載電流I確定后,可得: C1≥1/2лfU

　　式中交流電源U值計(jì)算時(shí)取負(fù)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(nèi)阻是很低的，允許電容在吞吐能量時(shí)，有大的電流流過(guò)，這個(gè)電流的大小取決于電容值和它的du/dt值，此值由電容的結(jié)構(gòu)，金屬膜的類型，引出線的方式?jīng)Q定的。

　　du/dt值與電容的耐壓值有關(guān)，耐壓越高，du/dt值越大，不同廠家產(chǎn)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(fù)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(shí)際承受的有效電壓值：UR=344.7mA*47Ω =16.2V

　　求出電阻實(shí)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(wěn)壓分流電路：

　　穩(wěn)壓管ZD1和T1管E-B結(jié)，R3組成穩(wěn)壓電路，T1,R2組成分流電路。

　　ZD1選用11.3V的穩(wěn)壓管;R3阻值取180Ω1/6W;T1管響應(yīng)負(fù)載電流的大小變化，負(fù)載電流可在0-300mA內(nèi)變化，T1選用2W的PNP管，電流放大倍數(shù)≥200;R2用作負(fù)載電流較小時(shí)，分擔(dān)一部分T1管的功率，R2取值30Ω/3W。

　　2.半波整流穩(wěn)壓電路：

　　規(guī)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(fā)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(guò)電容C1的電流約是負(fù)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(shí)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(fù)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(shí)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(shí)，經(jīng)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(shí)，降壓電容C1經(jīng)由D2放電。

　　4)穩(wěn)壓分流：

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

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　1、電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，具有體積小、重量輕，有利于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的小型化;

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

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

??????? 4、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(wěn)壓電源的電子設(shè)備中。

　　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(shè)備中，如在一些控制、檢測(cè)、分析電子裝置中，在家用電器等電子設(shè)備中，特別是在小家電領(lǐng)域具有廣泛的實(shí)用價(jià)值;正因?yàn)闆](méi)有隔離，所以應(yīng)用在需要隔離的電子設(shè)備中不合適。