浅谈阻容降压电路计算

　　阻容降压

 

　　阻容降压是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。

 

　　例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

 

　　采用电容降压时应注意以下几点：

 

　　1. 根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。

 

　　2. 限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。

 

　　3. 电容降压不能用于大功率负载，因为不安全。

 

　　4. 电容降压不适合动态负载。

 

　　5. 同样，电容降压不适合容性和感性负载。

 

　　6. 当需要直流工作时，尽量采用半波整流。不建议采用桥式整流， 因为全波整流产生浮置的地，并在零线和火线之间产生高压，造成人体触电伤害。而且要满足恒定负载的条件。

 

　　容降压式简易电源的基本电路如图1，C1为降压电容器，VD2为半波整流二极管，VD1在市电的负半周时给C1提供放电回路，VD3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。在实际应用时常常采用的是图2的所示的电路。当需要向负载提供较大的电流时，可采用图3所示的桥式整流电路。

 

　　器件选择

 

　　1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。

 

　　2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。

 

　　3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。

 

　　设计举例

 

　　图2中，已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。

 

　　C1在电路中的容抗Xc为：

 

　　Xc=1 /（2 πf C）= 1/（2*3.14*50*0.33*10-6）= 9.65K

 

　　流过电容器C1的充电电流（Ic）为：

 

　　Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

 

　　通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：C=14.5I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。

 

　　电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。

　　阻容降压电路正确计算将交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法 采用电容降压式电源。上图内容引用网上的。

　　看到这里，很多朋友一定想说：不就是阻容幺，计算容抗然后电压除以容抗不就成了。当然网上找到的都是这样的方法，我翻了手上的书也没找到其它更好的算法。

　　但是这种电路通过容抗计算电流是非常不科学的，一个错误的理论计算的值自然而然与实际值存在不少差距。

　　正确的计算应该是这样的：

　　如图3电路，计算式应为I=4FC（1.414U-Vout）（方波时不用乘1.414），其中I为直流电路电流，此法已验证；

　　同理，图1和图2的电路，计算式应为I=2FC（1.414U-Vout）（此式由上式变换，未验证）。

　　如要更精确的计算，需考虑电阻和二极管的影响。

　　此法为本人塬创，如有雷同，纯属巧合。（不知前人是否早已使用）——sp@cai

　　例：如图3，C1=0.33uF，交流输入为220V/50Hz正弦波，Vout=6V：

　　I=4FC（1.414U-Vout）=4*50*0.33*10-6*（220*1.414-6）=20.1mA

　　若Vout=220V（DC）：

　　I=4FC（1.414U-Vout）=4*50*0.33*10-6*（220*1.414-220）=6.0mA

　　计算时注意单位转换。

　　电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。

　　电容降压式简易电源的基本电路如图1，C1为降压电容器，D2为半波整流二极管，D1在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。在实际应用时常常采用的是图2的所示的电路。当需要向负载提供较大的电流时，可采用图3所示的桥式整流电路。

　　整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致，故不适合大电流供电的应用场合。

　　二、器件选择

　　1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。

　　2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。

　　3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。

　　叁、设计举例

　　图2中，已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。

　　C1在电路中的容抗Xc为：

　　Xc=1 /（2 πf C）= 1/（2*3.14*50*0.33*10-6）= 9.65K

　　流过电容器C1的充电电流（Ic）为：

　　Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

　　通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：C=14.5 I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。

　　电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电

　　电容降压电源塬理和计算公式

　　这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。它的输出电压通常可在几伏到叁几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。所能提供的电流大小正比于限流电容容量。采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：（国际标准单位）

　　I（AV）=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C =0.44*220*2*3.14*50*C=30000C =30000*0.000001=0.03A=30mA

　　如果采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为： I（AV）=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C =0.89*220*2*3.14*50*C=60000C =60000*0.000001=0.06A=60mA

　　一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。

　　使用这种电路时，需要注意以下事项：

　　1、未和220V交流高压隔离，请注意安全，严防触电！ 2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于400V），并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。

　　3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。

　　采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路﹐由于其具有体积小﹑成本低﹑电流相对恒定等优点﹐也常应用于LED的驱动电路中。

　　图一为一个实际的采用电容降压的LED驱动电路﹕请注意﹐大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管﹐建议连接上﹐因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间（ 如雷电﹑大用电设备起动等 ）有效地将突变电流泄放﹐从而保护二级关和其它晶体管﹐它们的响应时间一般在微毫秒级 。

　　电路工作塬理﹕

　　电容C1的作用为降压和限流﹕大家都知道﹐电容的特性是通交流﹑隔直流﹐当电容连接于交流电路中时﹐其容抗计算公式为﹕ XC = 1/2πf C

　　式中﹐XC 表示电容的容抗﹑f 表示输入交流电源的频率﹑C 表示降压电容的容量。

　　流过电容降压电路的电流计算公式为﹕ I = U/XC

　　式中 I 表示流过电容的电流﹑U 表示电源电压﹑XC 表示电容的容抗

　　在220V﹑50Hz的交流电路中﹐当负载电压远远小于220V时﹐电流与电容的关系式为﹕

　　I = 69C 其中电容的单位为uF﹐电流的单位为mA

　　下表为在220V﹑50Hz的交流电路中﹐理论电流与实际测量电流的比较

　　电阻R1为泄放电阻﹐其作用为﹕当正弦波在最大峰值时刻被切断时﹐电容C1上的残存电荷无法释放﹐会长久存在﹐在维修时如果人体接触到C1的金属部分﹐有强烈的触电可能﹐而电阻R1的存在﹐能将残存的电荷泄放掉﹐从而保证人﹑机安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关﹐一般电容的容量越大﹐残存的电荷就越多﹐泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据如下表﹐供设计时参考﹕

　　D1 ~ D4的作用是整流﹐其作用是将交流电整流为脉动直流电压。

　　C2﹑C3的作用为滤波﹐其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压

　　压敏电阻（ 或瞬变电压抑制晶体管 ）的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉﹐从而保护LED不被瞬间高压击穿。

　　LED串联的数量视其正向导通电压（ Vf ）而定﹐在220V AC电路中﹐最多可以达到80个左右。

　　组件选择﹕电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值﹐在220V，50Hz的交流电路中时﹐可以选择耐压为400伏以上的涤纶电容或纸介质电容。 D1 ~D4 可以选择IN4007。

　　滤波电容C2﹑C3的耐压根据负载电压而定﹐一般为负载电压的1.2倍。其电容容量视负载电流的大小而定。