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RC阻容降压

(2011-08-18 13:23:50)
标签:

电容器

传递函数

电流

稳压二极管

整流二极管

杂谈

分类: 单元电路

阻容降压工作原理及参数计算

 

一.工作原理
    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,该电容如果是理想电容,则流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率.

    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负载两端电压的角色.

 

二.参数计算
1.电路原理图:

RC阻容降压
 

 

2.参数计算公式:

    (1)容抗公式:Xc = 1/(2πf·C) = 1/(ω·C)

    (2)电流计算公式:Ic = U/Xc = 2πf·CU

 

3.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
    解:由(2)得
    Ic = U/Xc = 2πf·CU = 2 x 3.14 x 50 x 0.33 x 10-6 x 220 = 0.0228 (A)

 

三.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。理想情况下RC时间常数<T(T=1/F F=50Hz),但实际使用中R1不能取太小,否则R1功耗大,一般我们取RC时间常数<300mS.注意电阻耐压,常用的0.25W碳膜电阻耐压500V, 0.5W碳膜电阻耐压700V.
 

4.实际电路如图4加入R2,R3限流,防止首次上电和在快速插拔电源插头或插头接触不良时所产生的高压冲击对整流二极管的损坏.图4电容C2首次上电刚好碰在波峰处,因C2在通电瞬间呈短路状态,此时交流电源直接加在R2,R3和整流管上,由u=√2Usin(ωt+φ)=Umsin(ωt+φ),R2,R3上有220VAC x 1.414=311VDC瞬间直流电压;电容C2在快速插拔电源插头或插头接触不良时,如果C2在n+1波峰处断电,n+2波峰处通电,此时间内放掉ΔV(由C2,R1决定),此时R2,R3上有220VAC x 1.414 + (220VAC x 1.414 – ΔV) = 622VDC – ΔV瞬间直流电压,考虑电网波动,此电压会更高,所以R2,R3要选择耐压和耐电流冲击强的电阻,一般选大功率氧化膜电阻或金属膜电阻,阻值一般取40-50欧姆之间,电阻太大,电路功耗大,电阻太小,冲击电流大; 整流二极管峰值电流一般比较大,如1N400X系列峰值电流为200A.

    图4中,D1,D2为整流二极管,组成半波整流回路,C3,C4组成第一级滤波,其最高耐压=(Umax X 1.414) /( 1/2πfC) X R4 + 5.1 =22.2VDC,所以C3,C4选耐压>25VDC的产品,R4,C5,C6组成第二级RC滤波同时ZD1将电压稳定在5.1VDC上.

    图4中,R4的大小决定了产品在低工作电压下的纹波大小.R5防止快速插拔或插头接触问题对滤波电容放电,使冲击电流从电容上耦合过去,防止稳压二极管损坏.同时PCB Layout时该电阻放在滤波电容C5,C6的后面,防止寄生电感和铜箔电阻对滤波的影响.

   

四.设计注意事项
1.根据负载的电流大小和交流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级性电容,绝对不能采用电解电容.而且电容的耐压必须在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条件,因为不安全.

4.电容降压不适合动态负载条件.

5.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.而且要满足恒定负载的条件.

7.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.

 

五.主要运用产品有
1.LED小夜灯.

2.直管节能小夜灯.

3.声控灯.

4.其他小功率低电流电源部分.

 

 

 

 

 

RC降压的基本原理     电容降压的工作原理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3185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。     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。     电容降压式简易电源的基本电路如图,C1为降压电容器,D2为半波整流二极管,D1是稳压二极管,R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。

阻容降压原理及设计 - 面朝大海 - 面朝大海

 

 

RC网络常用于低通滤波,输入信号vi经RC网络后,在C上产生的输出信号vo幅值和相位发生变化。如果把vo/vi看成传递函数,则对于vi中的高频份量,RC网络有衰减作用,类似于降压。
根据传递函数定义:
Vo(S)/Vi(S)=1/(RCS+1)
则|Vo(S)/Vi(S)|=1/sqrt[1+(ωRC)^2]
当ωRC>>1时,Vo(S)/Vi(S)|≈1/ωRC
 
阻容降压原理及设计
分析一下阻容降压原理:
   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,最简单实用的方法就是采用电容降压式电源.
一、RC降压的基本原理     电容降压的工作原理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3185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。     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。     电容降压式简易电源的基本电路如图,C1为降压电容器,D2为半波整流二极管,D1是稳压二极管,R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻阻。

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。

    三、设计举例

    如图中,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/ωC=1/2πf 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。

    注: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!!

 

 

 

 

电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理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,应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条件,因为不安全。

  4 电容降压不适合动态负载条件。

  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。而且要满足恒定负载的条件。

  以上是电容降压工作原理的简单介绍。前些日子我曾再次提出一个问题,就是只用电阻和电容可以组成什么电路,进一步讲只用一个电阻和一个电容可以组成什么电路。此篇可以是一个回答,有兴趣的可以再想一想还能组成什么电路。其实电阻、电容和电感作为电子电路的基本元件,熟知它们的特性并灵活地应用它。

  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。 RC阻容降压

电路工作原理﹕

  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



RC阻容降压

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﹕

RC阻容降压

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。


 

 

几个实用电路阻容降压原理

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,最简单实用的方法就是采用电容降压式电源.

           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条件,因为不安全.
4 电容降压不适合动态负载条件.
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.而且要满足恒定负载的条件.

 


                        电路一,

RC阻容降压

 

  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三几十伏,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。
                
                   电路二,

 

 

RC阻容降压

 

           最简单的电容降压直流供电电路及其等效电路如图1,C1为降压电容,一般为0.33~3.3uF。假设C1=2uF,其容抗XCL=1/(2PI*fC1)=1592。由于整流管的导通电阻只有几欧姆,稳压管VS的动态电阻为10欧姆左右,限流电阻R1及负载电阻RL一般为100~200,而滤波电容一般为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电阻,可以画出图的交流等效电路。同时满足了XC1>R的条件,所以可以画出电压向量由于R甚小于XC1,R上的压降VR也远小于C1上的压降,所以VC1与电源电压V近似相等,即VC1=V。根据电工原理可知:整流后的直流电流平均值Id,与交流电平均值I的关系为Id=V/XC1。若C1以uF为单位,则Id为毫安单位,对于22V,50赫兹交流电来说,可得到Id=0.62C1。
          由此可以得出以下两个结论:(1)在使用电源变压器作整流电源时,当电路中各项参数确定以后,输出电压是恒定的,而输出电流Id则随负载增减而变化;(2)使用电容降压作整流电路时,由于Id=0.62C1,可以看出,Id与C1成正比,即C1确定以后,输出电流Id是恒定的,而输出直流电压却随负载电阻RL大小不同在一定范围内变化。RL越小输出电压越低,RL越大输出电压也越高。C1取值大小应根据负载电流来选择,比如负载电路需要9V工作电压,负载平均电流为75毫安,由于Id=0.62C1,可以算得C1=1.2uF。考虑到稳压管VD5的的损耗,C1可以取1.5uF,此时电源实际提供的电流为Id=93毫安。

 稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压,其稳定电流的选择也非常重要。由于电容降压电源提供的的是恒定电流,近似为恒流源,因此一般不怕负载短路,但是当负载完全开路时,R1及VD5回路中将通过全部的93毫安电流,所以VD5的最大稳定电流应该取100毫安为宜。由于RL与VD5并联,在保证RL取用75毫安工作电流的同时,尚有18毫安电流通过VD5,所以其最小稳定电流不得大于18毫安,否则将失去稳压作用。
          限流电阻取值不能太大,否则会增加电能损耗,同时也会增加C2的耐压要求。如果是R1=100欧姆,R1上的压降为9.3V,则损耗为0.86瓦,可以取100欧姆1瓦的电阻。
          滤波电容一般取100微法到1000微法,但要注意其耐亚的选择.前已述及,负载电压为9V,R1上的压降为9.3V,总降压为18.3V,考虑到留有一定的余量,因此C2耐压取25V以上为好。

 


         电路三,

RC阻容降压

    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。
         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*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=14.5 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。

        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.

         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

          电容降压的工作原理并不复杂.他的工作原理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,应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.

 

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