阻容降壓電路及應(yīng)用設(shè)計(jì)

一、阻容降壓的基本概念

1、什么是阻容降壓？

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

電容器實(shí)際上起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)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(wěn)壓模塊和濾波模塊組成。

3、阻容降壓基本設(shè)計(jì)要素

電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先確定負(fù)載最大工作電流，通過(guò)此電流值計(jì)算電容容值大小，從而選取適當(dāng)電容。

此處與線性變壓器電源的區(qū)別：阻容降壓電源是通過(guò)負(fù)載電流選定電容；線性變壓器電源是通過(guò)負(fù)載電壓和功率選定變壓器。

阻容降壓電流計(jì)算

阻容降壓電路可以等效為由降壓電容C1和負(fù)載電阻R1組成，電阻和電容串聯(lián)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?yàn)樽枞萁祲弘娫磧H適用于小電流電路，選取的電容容值范圍一般為0.33UF到2.5UF，所以Zc為-1592j到-9651j。而等效負(fù)載阻抗Zr在200Ω左右，顯然有|Zc|>>|Zr|，同時(shí)輸入電源電壓分在負(fù)載上的壓降也遠(yuǎn)小于電容的壓降，所以有：Z≈Zc，矢量圖的θ角接近于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(dāng)整流方式采用半波整流時(shí)，I1=0.5|I|=34500C。

設(shè)計(jì)舉例

已知條件：負(fù)載工作電流15mA，工作電壓5V。求降壓電容容值？

采用半波整流方式，根據(jù)計(jì)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(guò)來(lái)可以驗(yàn)證提供的電流I1=34500C=16.2mA，多余電流從穩(wěn)壓管流過(guò)。

阻容降壓的優(yōu)點(diǎn)：

體積??；成本低。

阻容降壓的缺點(diǎn)：

非隔離電源，不安全；

不能用于大功率負(fù)載；

不適合容性和感性負(fù)載；

不適合動(dòng)態(tài)負(fù)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(chǎng)形式儲(chǔ)存能量的無(wú)源器件。電容充放電過(guò)程的本質(zhì)是兩導(dǎo)電平行板獲取與釋放電子的過(guò)程。

電容充電：

當(dāng)電容內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度E小于電容兩端外接電源電壓U時(shí)，電容開(kāi)始充電。此時(shí)電容正電極不斷失電子，負(fù)極不斷得電子，內(nèi)電場(chǎng)E不斷增強(qiáng)直到與外接電壓U相等時(shí)，充電結(jié)束。

電容放電：

當(dāng)電容內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度E大于電容兩端外接電源電壓U時(shí)，電容開(kāi)始放電。此時(shí)電容正電極不斷得電子，負(fù)極不斷失電子，內(nèi)電場(chǎng)E不斷減弱直到與外接電壓U相等時(shí)，放電結(jié)束。

電容的直流充電放電過(guò)程

如上圖充電過(guò)程，求C1電壓沖到1V時(shí)間：

因?yàn)閂0=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(guò)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(gè)不斷重復(fù)出現(xiàn)的過(guò)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(xiǎn)絲，起過(guò)流保護(hù)作用，選用400mA250V型號(hào)。

RV1：壓敏電阻，起浪涌保護(hù)作用，一般選用10D471K型號(hào)。

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(guī)電容(X2) ，容值依負(fù)載需求而定，此電容容量越大電路越不安全，在設(shè)計(jì)此電路時(shí)，如果220VAC供電情況下容量超過(guò)2.5uF，110VAC供電情況下容量超過(guò)4uF就因該放棄阻容降壓考慮其它電路。此處選用0.56uF安規(guī)電容(X2)，提供19mA電流。

R2：放電電阻，斷電后為電容C1提供放電回路，防止在快速插拔電源插頭或插頭接觸不良時(shí)C1電容上的殘余電壓和電網(wǎng)電壓疊加對(duì)后續(xù)器件形成高壓沖擊和防止拔出電源插頭后接觸到人體對(duì)人員產(chǎn)生傷害。一般要求斷電后C1電壓衰減到37%的時(shí)間應(yīng)小于1秒，因?yàn)門(mén)=RC*Ln[（V0-V1)/(Vt-V1）],所以T=RC，R=t/C，R<1/C。此處用3個(gè)390K的0805貼片電阻（分擔(dān)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(shí)所產(chǎn)生的高壓沖擊對(duì)整流二極管的損壞。電容C2在首次上電如果剛好碰在波峰處，因C2在通電瞬間呈短路狀態(tài)（一階零狀態(tài)響應(yīng)），此時(shí)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(shí)C1電荷未放完，此電壓可能會(huì)更高 。所以R1要選擇耐電流沖擊強(qiáng)和耐高壓的電阻，R1電阻不能太小，也不能太大，電阻太小沖擊電流大，電阻太大整個(gè)電路功耗增大。整流二極管的峰值電流一般會(huì)比較大，如1N400X系列峰值電流為50A，所以一般取R1電阻在10-50Ω之間。

DZ1:穩(wěn)壓二極管，選用1N4733，穩(wěn)壓電壓Vz為5.1V。DZ1的最大穩(wěn)壓電流Iz必須大于電容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(duì)穩(wěn)壓后的電壓濾波，同時(shí)在電源關(guān)斷的半個(gè)周期為負(fù)載提供電能。電源下半個(gè)周期來(lái)臨前，E1必須保證為負(fù)載提供的電壓不能衰減太多，此處選用1000uF25V型號(hào)。T=RC*Ln[（V0-V1)/(Vt-V1）]=10mS，所以衰減后的電壓Vt=4.8V。

C2：貼片電容，濾波作用，選用0.1uF。

R6：放電電阻，斷電后為E1提供放電回路，一般為5~10K。

R7：等效負(fù)載。

主要元器件的圖片

一次熔斷保險(xiǎn)絲

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲

壓敏電阻

金屬化聚酯膜電容器(CL21)

金屬化聚丙烯電容器(CBB21)

X2安規(guī)電容器(CBB62/MKP)

三、阻容降壓的應(yīng)用

阻容降壓因其體積小成本低的特點(diǎn)，適合于小功率小電流負(fù)載。常見(jiàn)應(yīng)用有電能表、小功率LED燈驅(qū)動(dòng)、小家電和溫控器等。

LED燈驅(qū)動(dòng)

小家電應(yīng)用

風(fēng)扇控制器

電暖氣控制器

咖啡機(jī)