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1、阻容降压原理及稳压电源设计详解 电容降压电源的特点 一、概述电子工程师总是在不断追求减小设备体积,优化设计,以期最大限度地降低 设备成本。其中,减小作为辅助电源的直流稳压电源电路部分的体积,往往是最 难解决的问题之一。普通的线性直流稳压电源电路效率比较低,电源的变压器体积大,重量重, 成本较高。开关电源电路结构较复杂,成本高,电源纹波大,RFI和EMI干扰是难以 解决的。下文介绍的是一种新颖的电容降压型直流稳压电源电路。这种电路无电源变压器,结构非常简单,具体有:体积小、重量轻、成本低 廉、动态响应快、稳定可靠、高效(可达90%以上)等特点。 二、电容降压原理当一个正弦交流电源U (如220V
2、 AC 50HZ)施加在电容电路上时,电容 器两极板上的电荷,极板间的电场都是时间的函数。也就是说:电容器上电压电 流的有效值和幅值同样遵循欧姆定律。即加在电容上的电压幅值一定,频率一定时,就会流过一个稳定的正弦交流 电流ic。容抗越小(电容值越大),流过电容器的电流越大,在电容器上串联一 个合适的负载,就能得到一个降低的电压源,可经过整流,滤波,稳压输出。电容在电路中只是吞吐能量,而不消耗能量,所以电容降压型电路的效率很三、原理方框图电路由降压电容,限流,整流滤波和稳压分流等电路组成。1. 降压电容:相当于普通稳压电路中的降压变压器,直接接入交流电源回路 中,几乎承受全部的交流电源U,应选用
3、无极性的金属膜电容(METALLIZED POLYESTER FILM CAPACITOR)。2限流电路:在合上电源的瞬间,有可能是U的正或负半周的峰峰值,此时瞬间电流会很大,因此在回路中需串联一个限流电阻,以保证电路的安全。3.整流滤波:有半波整流和全波整流,与普通的直流稳压电源电路的设计要 求相同。4稳压分流:电压降压回路中,电流有效值I是稳定的,不受负载电流大小 变化的影响,因此在稳压电路中,要有分流回路,以响应负载电流的大小变化。 四、设计势实例1桥式全波整流稳压电路:fH规格要求:输出DC电压12V, DC电流300mA;输入电源220V AC/50HZ市电。1)降压电容C1的选择:
4、a. C1容值的选择:电容值取决于负载电流,负载电流I确定后,可得:C11/2nfU 式中交流电源U值计算时取负10%,即:I=300mA, U=220V* (-10%) =198V, f=50HZ,C10.3(2*3.14156*50*198)=4.82uF) 电容值只可取大,不可取小,本例电容C1取值5uF。b. 耐压值的选择:要考虑电源正10%的情况,如本例用市电,C1要选择250V AC的金属膜电容。c. 耐瞬间冲击电流的选择: 金属膜电容的内阻是很低的,允许电容在吞吐能量时,有大的电流流过,这个电流的大小取决于电容值和它的du/dt值,此值由电容的结构,金属膜的类型, 引出线的方式决
5、定的。du/dt值与电容的耐压值有关,耐压越高,du/dt值越大,不同厂家产品du/dt 值也有很大的差别,如耐压为250VAC电容值为5uF的金属膜电容的du/dt值一 般在330之间选择。在本例中:C1 = 5uF,du/dt值取3,则C1耐瞬间冲击电流值为:I二Cdu/dt = 5*3 = 15 (A)2) 限流电阻R1的选择:先求 C1 的容抗:Xc = 1/2nfC=1/(2*3.1416*50*0.000005)=636.36Q则复阻抗:|Z|=638.3 Q (R1取值为47Q) 求得电流有效值为:I二U/|Z|=220/638.3344.7mA 电阻实际承受的有效电压值:UR=
6、344.7mA *47Q =16.2V 求出电阻实际承受的功率:PR=16.2V*344.7mA=5.58W(Rl选用线绕电阻器,功 率取7.5W)3)稳压分流电路:稳压管ZD1和T1管E-B结,R3组成稳压电路,T1,R2组成分流电路。ZD1选用11.3V的稳压管;R3阻值取180Q1/6W; T1管响应负载电流的大小 变化,负载电流可在0 300mA内变化,T1选用2W的PNP管,电流放大倍数200; R2用作负载电流较小时,分担一部分T1管的功率,R2取值30Q/3W。2. 半波整流稳压电路:规格要求:输出一组24V DC电压(如提供继电器工作用),一组DC电压 5V (如供微控制器工作
7、或双向可控硅触发电流用),输出DC电流60mA;输入电 源 220V/50HZ。1)降压电容C1的选择:a. 流过电容C1的电流约是负载电流的两倍,卩120mA,得出: C11/2nfU=0.12(2*3.14156*50*198)=1.93(uF)C1的实际取值2uF。b. 选择耐压值为250V AC的金属膜电容。c. 瞬间冲击电流值为:I = Cdu/dt = 2*3 = 6 (A)2)限流电阻R1的选择:电路的复阻抗:Xc=1/(2*3.14156*50*0.000002)=1.464KQ|Z|=1.467 KQ (R1 取值 100Q) 求得电流有效值: I=U/|Z|=220/1.4
8、67=150mA 再求出电阻承受的有效电压值为:UR=150mAX100 =15V 求出电阻实际承受的功率:PR=15VX150mA = 2.25W(R1的功率取3W)3)半波整流电路:D1作半波整流用,C2、C3为滤波电容,交流电源U上半周时,经C1、 R1降压,由D1整流后给电容C2平滑滤波输出D2的作用:交流电源U下半周时,降压电容C1经由D2放电。4)稳压分流:ZD1、ZD2、R3组成DC 24V稳压即分流电路,Tl、ZD3和R4组成DC 5V 稳压电路。点击查看:电容降压全波整流稳压电源电路使用注意事项:1这种电路输出DC电压与输入AC电源之间是不隔离的,因此,它用 在不需隔离的电子设备中,如在一些控制、检测、分析电子装置中,在家用电器 等电子设备中,特别是在小家电领域具有广泛的实用价值;正因为没有隔离,所 以应用在需要隔离的电子设备中不合适。2、金属膜电容的容量还不能做得很大,因此,这种电路通常用在小功率直 流稳压电源的电子设备中。1、电路结构非常简单,具有体积小、重量轻,有利于实现电子设备的小型 化;2、省去了电源变压器,对元器件的要求也不高,成本非常低,有力于降低 电子设备的成本;3、电容降压电路是一个电流源,只需改变基准电压元件,就可得到很宽范 围内的任一 DC电压源;