电容降压型直流稳压电路设计

中心议题：
  电容降压原理
  电容降压型直流稳压电路原理方框图
  电容降压型直流稳压电路设计实例
   
本文介绍一种新颖的电容降压型直流稳压电路，电路不含变压器，只由几个简单的电子元件组成。输出DC电压可在很宽的范围内任意调节，只需要改变基准电压元件。

一、概述

电子工程师总是在不断追求减小设备体积，优化设计，以期最大限度地降低设备成本。其中，减小作为辅助电源的直流稳压电源电路部分的体积，往往是最难解决的问题之一。普通的线性直流稳压电源电路效率比较低，电源的变压器体积大，重量重，成本较高。开关电源电路结构较复杂，成本高，电源纹波大，RFI和EMI干扰是难以解决的。

下文介绍的是一种新颖的电容降压型直流稳压电源电路。这种电路无电源变压器，结构非常简单，具有体积小、重量轻、成本低廉、动态响应快、稳定可靠、高效（可达90%以上）等特点。

二、电容降压原理

当一个正弦交流电源U（如220V AC 50HZ）施加在电容电路上时，电容器两极板上的电荷，极板间的电场都是时间的函数。也就是说：电容器上电压电流的有效值和幅值同样遵循欧姆定律。

即加在电容上的电压幅值一定，频率一定时，就会流过一个稳定的正弦交流电流ic。容抗越小（电容值越大），流过电容器的电流越大，在电容器上串联一个合适的负载，就能得到一个降低的电压源，可经过整流，滤波，稳压输出。

电容在电路中只是吞吐能量，而不消耗能量，所以电容降压型电路的效率很高。
  
   三、电容降压型直流稳压电路原理方框图
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   电路由降压电容，限流，整流滤波和稳压分流等电路组成。

1.降压电容：相当于普通稳压电路中的降压变压器，直接接入交流电源回路中，几乎承受全部的交流电源U，应选用无极性的金属膜电容（METALLIZED POLYESTER FILM CAPACITOR）。

2.限流电路：在合上电源的瞬间，有可能是U的正或负半周的峰_峰值，此时瞬间电流会很大，因此在回路中需串联一个限流电阻，以保证电路的安全。

3.整流滤波：有半波整流和全波整流，与普通的直流稳压电源电路的设计要求相同。

4.稳压分流：电压降压回路中，电流有效值I是稳定的，不受负载电流大小变化的影响，因此在稳压电路中，要有分流回路，以响应负载电流的大小变化。

四、电容降压型直流稳压电路设计实例

1.桥式全波整流稳压电路：
   
   规格要求：输出DC电压12V，DC电流300mA；输入电源220V AC/50HZ 市电。
  
   1）降压电容C1的选择：

a. C1容值的选择：
电容值取决于负载电流，负载电流I确定后，可得： C1≥1/2лfU

式中交流电源U值计算时取负10%，即：
I=300mA，U=220V*（-10%）=198V，f=50HZ,
C1≥0.3(2*3.14156*50*198)=4.82uF)

电容值只可取大，不可取小，本例电容C1取值5uF。

b. 耐压值的选择：
要考虑电源正10%的情况，如本例用市电，C1要选择250V AC的金属膜电容。

c. 耐瞬间冲击电流的选择：
金属膜电容的内阻是很低的，允许电容在吞吐能量时，有大的电流流过，这个电流的大小取决于电容值和它的du/dt值，此值由电容的结构，金属膜的类型，引出线的方式决定的。

du/dt值与电容的耐压值有关，耐压越高，du/dt值越大，不同厂家产品du/dt值也有很大的差别，如耐压为250VAC电容值为5uF的金属膜电容的du/dt值一般在3－30之间选择。

在本例中：C1＝5uF，du/dt值取3，则C1耐瞬间冲击电流值为：
I=Cdu/dt＝5*3＝15（A）

2）限流电阻R1的选择：
先求C1的容抗：
Xc＝1/2лfC＝1/(2*3.1416*50*0.000005)=636.36Ω

则复阻抗：|Z|＝638.3Ω　（R1取值为47Ω）

求得电流有效值为：I=U/|Z|=220/638.3344.7mA

电阻实际承受的有效电压值：UR=344.7mA*47Ω ＝16.2V

求出电阻实际承受的功率：PR＝16.2V*344.7mA=5.58W　　（R1选用线绕电阻器，功率取7.5W）

3）稳压分流电路：
稳压管ZD1和T1管E-B结，R3组成稳压电路，T1,R2组成分流电路。

ZD1选用11.3V的稳压管；R3阻值取180Ω1/6W；T1管响应负载电流的大小变化，负载电流可在0－300mA内变化，T1选用2W的PNP管，电流放大倍数≥200；R2用作负载电流较小时，分担一部分T1管的功率，R2取值30Ω/3W。

2.半波整流稳压电路：

规格要求：输出一组24V DC电压（如提供继电器工作用），一组DC电压5V（如供微控制器工作或双向可控硅触发电流用），输出DC电流60mA；输入电源220V/50HZ。

1）降压电容C1的选择：
a.流过电容C1的电流约是负载电流的两倍，即120mA，得出：
C1≥1/2лfU=0.12(2*3.14156*50*198)=1.93(uF）
C1的实际取值2uF。

b.选择耐压值为250V AC的金属膜电容。

c.瞬间冲击电流值为： I＝Cdu/dt＝2*3＝6（A）

2）限流电阻R1的选择：
电路的复阻抗：Xc=1/(2*3.14156*50*0.000002)=1.464KΩ
|Z|=1.467 KΩ　(R1取值100Ω)

求得电流有效值：　I＝U/|Z|＝220/1.467＝150mA

再求出电阻承受的有效电压值为：UR＝150mA×100 ＝15V

求出电阻实际承受的功率：　PR＝15V×150mA＝2.25W　（R1的功率取3W）

3）半波整流电路：
D1作半波整流用，C2、C3为滤波电容，交流电源U上半周时，经C1、R1降压，由D1整流后给电容C2平滑滤波输出

D2的作用：交流电源U下半周时，降压电容C1经由D2放电。

4）稳压分流：
ZD1、ZD2、R3组成DC 24V稳压即分流电路，T1、ZD3和R4组成DC 5V稳压电路。

五、结语

1、电路结构非常简单，具有体积小、重量轻，有利于实现电子设备的小型化；
2、省去了电源变压器，对元器件的要求也不高，成本非常低，有力于降低电子设备的成本；
3、电容降压电路是一个电流源，只需改变基准电压元件，就可得到很宽范围内的任一DC电压源；
4、注意：这种电路输出DC电压与输入AC电源之间是不隔离的，因此，它用在不需隔离的电子设备中，如在一些控制、检测、分析电子装置中，在家用电器等电子设备中，特别是在小家电领域具有广泛的实用价值；正因为没有隔离，所以应用在需要隔离的电子设备中不合适。
5、金属膜电容的容量还不能做得很大，因此，这种电路通常用在小功率直流稳压电源的电子设备中。