Part 01
前言
阻容降压电源分为两大类,一类是电阻降压,一类是电容降压,使用电阻降压构建电源并不是一种有效的方法,因为它具有大量的热量损失。本篇文章我们会讲解电容降压电路的计算。
电容降压
Part 02
电容降压器
我们可以在交流电路中使用电容器(电容自身的容抗)来降低电压。我们重点需要做的是计算电容器的容值,在交流电路中,电容可以像电阻一样降低电压,这利用了电容最基本的特性,也就是通交流阻直流,并且电容是属于储能元件,理想的电容是不损耗能量的。
Part 03
电容降压电路计算实例
为了便于对比,我们以 12V、50mA 的负载和 230V、50Hz 的交流电源为例,使用与电阻降压电路方案相同的电路,只是将电阻器替换为电容器。因此,为了便于理解,我们先把电容降压所需的电阻阻值计算步骤放上。
1)负载电压是12V,如果负载电流按50mA,那么R2电阻两端的电压是 0.05 x 100 = 5V。
2)还要考虑桥式整流器的两个正向偏置二极管的压降的 1V(每个二极管 0.7 至 1.2V),1 x 2 = 2V。
3)那么我们需要用 R1 下降的净电压就等于:230 – 12 – 5 – 2 = 211V;因为输入电压是 AC 电压,也就是 RMS 电压,所以它等于整流后的 RMS DC 电压。
4)通过以上计算可知,R1电阻器需要在通过50mA 的电流下降低 211V 电压。
那么 R = V/I = 211/50mA= 4220Ω
电阻降压所需的电阻为 4220Ω,因此需要计算电抗值几乎接近 4220Ω 的电容器。
有人会疑惑了,为什么电路图中的电容器并联了一个电阻器呢?这里的电阻的作用是当输入电源断电时,泄放电容中储存的电荷,避免断电后,人触摸插头被电击到。电阻的阻值在 470k – 1M 范围内,阻值比较大的阻值和电容的放电时间要求有关,因为阻值比较大,通过的电流比较小,因此在下面的计算中我们就忽略了R1,所以电容器两端的等效电阻几乎与电容的容抗值相同。容抗可以计算为Xc = 1/2ΠfC。
接下来就一步步计算电容降压的容值,电流,功率:
1)容值计算
Xc = 4220Ω = 1/ 2πfC
F = 50Hz
C = 1/ 4220 x 2 x π x 50 = 0.754μf
由于容抗与电容值成反比,因此选择的电容器标准值需要高于计算值才能获得更大的电流。
所以,如果我们选择一个 1μf 的电容,它的容抗是3183.1Ω。
与电阻降压器的计算方式相同,电容器上的压降是216V,那么电路中的电流值= 216 / Z。
电阻降压电路是纯电阻性的,但电容降压电路有一个无功分量,即容抗。纯容性和阻性负载相差90度,容性电路中电流相位超前电压相位。
2)输出电流计算
阻抗Z = 1/2ΠfC + R 2 = 3184.67Ω;
输出电流变为 216/3184.67 = 67mA,其中包括了 50mA 负载电流和齐纳二极管电流 Iz = 17mA。
3)输出功率计算
电路的输入功率按视在功率计算,因为它同时包含有功功率和无功功率。视在功率 = VI = 230 x 0.067 = 15.41W。
电容器的功率 = I x I x XL sin 90 = 0.067 x 0.067 x 3183.1 = 14.28VAR
输出负载功率 = 12V x 50mA = 0.6W
Part 04
总结
与消耗有功功率的电阻降压器不同,电容降压电路中的大部分功率是无功功率。因此,使用电容降压器远比使用电阻降压器效率更高。电容降压电路也有许多缺点,比如该电路在交流线路和直流输出之间没有电气隔离,这可能会导致电击或其他电气事故。它仅对小电流的产品有用,对于有大负载输出要求的产品不可行,因为大电流需要更高的电容,这也意味着电容器的体积会更大,不便于集成。
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