把知识点圈起来——电容降压

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一、电容降压原理

       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 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 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。

 

       下图为阻容降压的典型应用,C1 为降压电容,R1 为断开电源时 C1 的泄放电阻,D1 为半波整流二极管,D2 在市电的负半周为 C1 提供放电回路,否则电容 C1 充满电就不工作了,Z1 为稳压二极管,C2 为滤波电容。输出为稳压二极管 Z1 的稳定电压值。

 

 

       在实际应用中,可以用下图代替上图,这里用了 Z1 正向特性和反向特性,其反向特性(也就是其稳压特性)来稳定电压,其正向特性用来在市电负半周给 C1 提供放电回路。

 

 

       在较大的电流应用中,可以用全波整流,如下图:

 

 

       在小电压全波整流输出时,最大输出电流即为:


       容抗:Xc=1/(2πfC)


       电流:Ic = U/Xc=2πfCU

 

       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。

 

二 器件选择

       1、电容设计时,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

       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。

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