中心議題:
- 電容降壓原理
- 電容降壓型直流穩(wěn)壓電路原理方框圖
- 電容降壓型直流穩(wěn)壓電路設計實例
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,只由幾個簡單的電子元件組成。輸出DC電壓可在很寬的范圍內(nèi)任意調節(jié),只需要改變基準電壓元件。
一、概述
電子工程師總是在不斷追求減小設備體積,優(yōu)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(wěn)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(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。開關電源電路結構較復雜,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。這種電路無電源變壓器,結構非常簡單,具有體積小、重量輕、成本低廉、動態(tài)響應快、穩(wěn)定可靠、高效(可達90%以上)等特點。
二、電容降壓原理
當一個正弦交流電源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(shù)。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(wěn)定的正弦交流電流ic。容抗越?。娙葜翟酱螅?,流過電容器的電流越大,在電容器上串聯(lián)一個合適的負載,就能得到一個降低的電壓源,可經(jīng)過整流,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、電容降壓型直流穩(wěn)壓電路原理方框圖
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,因此在回路中需串聯(lián)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(wěn)壓電源電路的設計要求相同。
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,以響應負載電流的大小變化。
四、電容降壓型直流穩(wěn)壓電路設計實例
1.橋式全波整流穩(wěn)壓電路:
規(guī)格要求:輸出DC電壓12V,DC電流300mA;輸入電源220V AC/50HZ 市電。
[page]
1)降壓電容C1的選擇:
a. C1容值的選擇:
電容值取決于負載電流,負載電流I確定后,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,有大的電流流過,這個電流的大小取決于電容值和它的du/dt值,此值由電容的結構,金屬膜的類型,引出線的方式?jīng)Q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(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
則復阻抗:|Z|=638.3Ω?。≧1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(wěn)壓分流電路:
穩(wěn)壓管ZD1和T1管E-B結,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管響應負載電流的大小變化,負載電流可在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(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?。≧1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(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,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、結語
1、電路結構非常簡單,具有體積小、重量輕,有利于實現(xiàn)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,有力于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,就可得到很寬范圍內(nèi)的任一DC電壓源;
4、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。
5、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)壓電源的電子設備中。