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[導讀]阻容降壓是一種利用電容在一定頻率的交流信號下產生的容抗來限制最大工作電流的電路。

一  阻容降壓的基本概念

1、什麼是阻容降壓?

阻容降壓是一種利用電容在一定頻率的交流信號下產生的容抗來限制最大工作電流的電路。

電容器實際上起到一個限制電流和動態分配電容器和負載兩端電壓的角色。

2、阻容降壓電路由哪幾部分組成?

阻容降壓電路由降壓模塊、整流模塊、穩壓模塊和濾波模塊組成。

3、阻容降壓基本設計要素

電路設計時,應先確定負載最大工作電流,通過此電流值計算電容容值大小,從而選取適當電容。

此處與線性變壓器電源的區別:阻容降壓電源是通過負載電流選定電容;線性變壓器電源是通過負載電壓和功率選定變壓器。

阻容降壓電流計算

阻容降壓電路可以等效為由降壓電容C1和負載電阻R1組成,電阻和電容串聯分壓。


電容C1的容抗為Zc=-j/wC=-j/2πfC

電阻R1的阻抗為Zr=R

總的等效阻抗為Z=Zc Zr=-j/2πfC R

所以I=U/Z=U/(Zc Zr)=U/(-j/2πfC R)

因為阻容降壓電源僅適用於小電流電路,選取的電容容值範圍一般為0.33UF到2.5UF,所以Zc為-1592j到-9651j。而等效負載阻抗Zr在200Ω左右,顯然有|Zc|>>|Zr|,同時輸入電源電壓分在負載上的壓降也遠小於電容的壓降,所以有:Z≈Zc,矢量圖的θ角接近於90°。

由此可得:

I=U/Z=U/Zc=U/(-j/2πfC)

=220*2π*f*C*j

=220*2π*50*C*j

=j69000C

I=|I|∠90°,電流有效值I1=|I|=69000C。當整流方式採用半波整流時,I1=0.5|I|=34500C。

設計舉例

已知條件:負載工作電流15mA,工作電壓5V。求降壓電容容值?

採用半波整流方式,根據計算式I1=0.5|I|=34500C可知,C=0.43uF。所以此處選用0.47uF的電容,反過來可以驗證提供的電流I1=34500C=16.2mA,多餘電流從穩壓管流過。

阻容降壓的優點:

體積小;成本低。

阻容降壓的缺點:

非隔離電源,不安全;

不能用於大功率負載;

不適合容性和感性負載;

不適合動態負載。

二、阻容降壓的基本原理

1、電容充電放電原理

電容是一種以電場形式儲存能量的無源器件。電容充放電過程的本質是兩導電平行板獲取與釋放電子的過程。

電容充電:

當電容內電場強度E小於電容兩端外接電源電壓U時,電容開始充電。此時電容正電極不斷失電子,負極不斷得電子,內電場E不斷增強直到與外接電壓U相等時,充電結束。

電容放電:

當電容內電場強度E大於電容兩端外接電源電壓U時,電容開始放電。此時電容正電極不斷得電子,負極不斷失電子,內電場E不斷減弱直到與外接電壓U相等時,放電結束。

電容的直流充電放電過程


如上圖充電過程,求C1電壓衝到1V時間:

因為V0=0V、Vt=1V、V1=5V、R=10K、C=0.1uF,所以T= 10000*0.1*0.000001*Ln(5/4)=223uS

電容的交流充電放電過程

電容的直流充電放電是一次完成的,而交流充電放電是一個不斷重複出現的過程。

全波整流電路


半波整流電路


各元器件作用和選擇


F1:保險絲,起過流保護作用,選用400mA250V型號。

RV1:壓敏電阻,起浪湧保護作用,一般選用10D471K型號。

C1: 降壓電容,利用較大的容抗限制電路總電流。常用聚酯電容(CL21)、聚丙烯電容(CBB21)、安規電容(X2) ,容值依負載需求而定,此電容容量越大電路越不安全,在設計此電路時,如果220VAC供電情況下容量超過2.5uF,110VAC供電情況下容量超過4uF就因該放棄阻容降壓考慮其它電路。此處選用0.56uF安規電容(X2),提供19mA電流。

R2:放電電阻,斷電後為電容C1提供放電迴路,防止在快速插拔電源插頭或插頭接觸不良時C1電容上的殘餘電壓和電網電壓疊加對後續器件形成高壓衝擊和防止拔出電源插頭後接觸到人體對人員產生傷害。一般要求斷電後C1電壓衰減到37%的時間應小於1秒,因為T=RC*Ln[(V0-V1)/(Vt-V1)],所以T=RC,R=t/C,R<1/C。此處用3個390K的0805貼片電阻(分擔電壓和功率)。

R1:限流電阻,此電阻主要是防止首次上電和在快速插拔電源插頭或插頭接觸不良時所產生的高壓衝擊對整流二極管的損壞。電容C2在首次上電如果剛好碰在波峯處,因C2在通電瞬間呈短路狀態(一階零狀態響應),此時交流電源直接加在R1和整流管上,R1上有220VAC*1.414=311VDC瞬間直流電壓,如果上電時C1電荷未放完,此電壓可能會更高 。所以R1要選擇耐電流衝擊強和耐高壓的電阻,R1電阻不能太小,也不能太大,電阻太小衝擊電流大,電阻太大整個電路功耗增大。整流二極管的峯值電流一般會比較大,如1N400X系列峯值電流為50A,所以一般取R1電阻在10-50Ω之間。

DZ1:穩壓二極管,選用1N4733,穩壓電壓Vz為5.1V。DZ1的最大穩壓電流Iz必須大於電容C1最大充放電電流。

R5:與電容E1、C2組成RC濾波,減小紋波。

D1:整流二極管,起半波整流作用,選用1N4007。

D2:整流二極管,起半波整流作用,選用1N4007。

E1:電解電容,對穩壓後的電壓濾波,同時在電源關斷的半個週期為負載提供電能。電源下半個週期來臨前,E1必須保證為負載提供的電壓不能衰減太多,此處選用1000uF25V型號。T=RC*Ln[(V0-V1)/(Vt-V1)]=10mS,所以衰減後的電壓Vt=4.8V。

C2:貼片電容,濾波作用,選用0.1uF。

R6:放電電阻,斷電後為E1提供放電迴路,一般為5~10K。

R7:等效負載。

主要元器件的圖片

一次熔斷保險絲


自恢復保險絲

壓敏電阻

屬化聚酯膜電容器(CL21)

金屬化聚丙烯電容器(CBB21)

X2安規電容器(CBB62/MKP)

三、阻容降壓的應用

阻容降壓因其體積小成本低的特點,適合於小功率小電流負載。常見應用有電能表、小功率LED燈驅動、小家電和温控器等。

LED燈驅動

小家電應用

風扇控制器

電暖氣控制器

咖啡機

END
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