【導(dǎo)讀】從網(wǎng)上看到很多人在尋求電容降壓電路的計(jì)算方法。實(shí)際上用電路仿真軟件一下子就可以推理出電容降壓電路的計(jì)算方法。以下面的為例，說一下怎么計(jì)算電容降壓電路。
例：在上圖中已知電源v1的電壓為220v頻率為50HZ，求OUT端輸出電壓為17V，電流I為2mA時(shí)，降壓電容C1的值為多少？
【解題猜想】從電路圖中可以看出好像是一個(gè)電容和電阻串聯(lián)的電容，先試試用電源電壓V1減去17V得到電容兩端的電壓，得到電容兩端的電壓后除以電流，然后再根據(jù)電容的容抗計(jì)算方法得出電容的容量。
仿真波形如下：猜想正確。
實(shí)際實(shí)驗(yàn)：一通電，電阻就冒煙了，可見這個(gè)電路不實(shí)用。
試一試改進(jìn)的電路，圖中的電路多加了電阻R2
電路的計(jì)算方法：只不過是多了個(gè)并聯(lián)電阻，10150是電容C1和R2的并聯(lián)總阻值。再按照并聯(lián)電路的原理就可以得出電容的容量（這里省略，如不懂，請(qǐng)到振德小學(xué)進(jìn)修兩年）。得到的仿真結(jié)果也和猜想的結(jié)果一樣。實(shí)際實(shí)驗(yàn)：電壓不穩(wěn)定。電阻不會(huì)再冒煙，再進(jìn)行電路改進(jìn)。結(jié)果如下：
通過不斷的改變C1，R1的值，得到OUT端的電壓等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。電流取值于R1的值（通過實(shí)驗(yàn)得到）。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，此電路較以前的電路安全穩(wěn)定。當(dāng)然由于輸出的電壓等于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值，所以此電路還可以用來測(cè)量未知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。
下面的電路最好不要用。
電容降壓式電源原理及電路
將交流市電轉(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當(dāng)受體積和成本等因素的限制時(shí)，最簡(jiǎn)單實(shí)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(jiǎn)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(fù)半周時(shí)給C1提供放電回路，D3是穩(wěn)壓二極管，R1為關(guān)斷電源后C1的電荷泄放電阻。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常采用的是圖2的所示的電路。當(dāng)需要向負(fù)載提供較大的電流時(shí)，可采用圖3所示的橋式整流電路。
整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會(huì)高于30伏，并且會(huì)隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，這是因?yàn)榇祟愲娫磧?nèi)阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應(yīng)用場(chǎng)合。
二、器件選擇
1.電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先測(cè)定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因?yàn)橥ㄟ^降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io，實(shí)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(jīng)C1的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于C1的充放電電流時(shí)，多余的電流就會(huì)流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax小于Ic-Io時(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀。
2.為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)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(shí)間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。
三、設(shè)計(jì)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(fù)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。
通常降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)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(yīng)用上要特別注意隔離，防止觸電。
電容降壓電路的特點(diǎn)及元器件選擇
在電子制作時(shí)，為了減小體積、降低成本，往往采用電容降壓的方法代替笨重的電源變壓器。采用電容降壓方法如元器件選擇不當(dāng)，不但達(dá)不到降壓要求，還有可能造成電路損壞。本文從實(shí)際應(yīng)用角度，介紹電容降壓元器件應(yīng)如何進(jìn)行正確選擇。
最簡(jiǎn)單的電容降壓直流供電電路及其等效電路如圖1，C1為降壓電容，一般為0.33~3.3uF。假設(shè)C1=2uF，其容抗XCL=1/(2PI*fC1)=1592。由于整流管的導(dǎo)通電阻只有幾歐姆，穩(wěn)壓管VS的動(dòng)態(tài)電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負(fù)載電阻RL一般為100~200，而濾波電容一般為100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。若用R代表除C1以外所有元器件的等效電阻，可以畫出圖2的交流等效電路。同時(shí)滿足了XC1>R的條件,所以可以畫出電壓向量圖。
由于R甚小于XC1，R上的壓降VR也遠(yuǎn)小于C1上的壓降，所以VC1與電源電壓V近似相等，即VC1=V。根據(jù)電工原理可知：整流后的直流電流平均值Id,與交流電平均值I的關(guān)系為Id=V/XC1。若C1以u(píng)F為單位，則Id為毫安單位，對(duì)于22V，50赫茲交流電來說，可得到Id=0.62C1。
由此可以得出以下兩個(gè)結(jié)論：（1）在使用電源變壓器作整流電源時(shí)，當(dāng)電路中各項(xiàng)參數(shù)確定以后，輸出電壓是恒定的，而輸出電流Id則隨負(fù)載增減而變化；（2）使用電容降壓作整流電路時(shí)，由于Id=0.62C1,可以看出，Id與C1成正比，即C1確定以后，輸出電流Id是恒定的，而輸出直流電壓卻隨負(fù)載電阻RL大小不同在一定范圍內(nèi)變化。RL越小輸出電壓越低，RL越大輸出電壓也越高。
C1取值大小應(yīng)根據(jù)負(fù)載電流來選擇，比如負(fù)載電路需要9V工作電壓，負(fù)載平均電流為75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF。考慮到穩(wěn)壓管VD5的的損耗，C1可以取1.5uF，此時(shí)電源實(shí)際提供的電流為Id=93毫安。
穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值應(yīng)等于負(fù)載電路的工作電壓，其穩(wěn)定電流的選擇也非常重要。由于電容降壓電源提供的的是恒定電流，近似為恒流源，因此一般不怕負(fù)載短路，但是當(dāng)負(fù)載完全開路時(shí)，R1及VD5回路中將通過全部的93毫安電流，所以VD5的最大穩(wěn)定電流應(yīng)該取100毫安為宜。由于RL與VD5并聯(lián)，在保證RL取用75毫安工作電流的同時(shí)，尚有18毫安電流通過VD5，所以其最小穩(wěn)定電流不得大于18毫安，否則將失去穩(wěn)壓作用。
限流電阻取值不能太大，否則會(huì)增加電能損耗，同時(shí)也會(huì)增加C2的耐壓要求。如果是R1=100歐姆，R1上的壓降為9.3V,則損耗為0.86瓦,可以取100歐姆1瓦的電阻。
濾波電容一般取100微法到1000微法,但要注意其耐亞的選擇.前已述及,負(fù)載電壓為9V,R1上的壓降為9.3V,總降壓為18.3V,考慮到留有一定的余量,因此C2耐壓取25V以上為好。
采用電容降壓的LED驅(qū)動(dòng)電路分析
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(duì)恒定等優(yōu)點(diǎn)，也常應(yīng)用于LED的驅(qū)動(dòng)電路中。
圖一 為一個(gè)實(shí)際的采用電容降壓的LED驅(qū)動(dòng)電路﹕請(qǐng)注意，大部分應(yīng)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(shè)備起動(dòng)等 )有效地將突變電流泄放，從而保護(hù)二級(jí)關(guān)和其它晶體管，它們的響應(yīng)時(shí)間一般在微毫秒級(jí) 。
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(dāng)電容連接于交流電路中時(shí)，其容抗計(jì)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(jì)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(dāng)負(fù)載電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于220V時(shí)，電流與電容的關(guān)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(shí)際測(cè)量電流的比較
電阻R1為泄放電阻，其作用為﹕當(dāng)正弦波在最大峰值時(shí)刻被切斷時(shí)，電容C1上的殘存電荷無法釋放，會(huì)長(zhǎng)久存在，在維修時(shí)如果人體接觸到C1的金屬部分，有強(qiáng)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(jī)安全。泄放電阻的阻值與電容的大小有關(guān)，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(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表，供設(shè)計(jì)時(shí)參考﹕
D1 ~ D4的作用是整流，其作用是將交流電整流為脈動(dòng)直流電壓。
C2﹑C3的作用為濾波，其作用是將整流后的脈動(dòng)直流電壓濾波成平穩(wěn)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(duì)地泄放掉，從而保護(hù)LED不被瞬間高壓擊穿。
LED串聯(lián)的數(shù)量視其正向?qū)妷? Vf )而定，在220V AC電路中，最多可以達(dá)到80個(gè)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(shí)，可以選擇耐壓為400伏以上的滌綸電容或紙介質(zhì)電容。
D1 ~D4 可以選擇IN4007。
濾波電容C2﹑C3的耐壓根據(jù)負(fù)載電壓而定，一般為負(fù)載電壓的1.2倍。其電容容量視負(fù)載電流的大小而定。
下列電路圖為其它形式的電容降壓驅(qū)動(dòng)電路，供設(shè)計(jì)時(shí)參考﹕
圖 二
在圖 二 電路中，可控硅SCR及R3組成保護(hù)電路，當(dāng)流過LED的電流大于設(shè)定值時(shí)，SCR導(dǎo)通一定的角度，從而對(duì)電路電流進(jìn)行分流，使LED工作于恒流狀態(tài)，從而避免LED因瞬間高壓而損壞。
圖 三
在圖三電路中，C1﹑R1﹑壓敏電阻﹑L1﹑R2組成電源初級(jí)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(hù)LED不被瞬間高壓擊穿損壞。
是一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容降壓應(yīng)用電路，電路中利用兩只反并聯(lián)的LED對(duì)降壓后的交流電壓進(jìn)行整流，可以廣泛應(yīng)用于夜光燈﹑按鈕指示燈，要求不高的位置指示燈等場(chǎng)合。
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