毛景魁

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng)453000）

直流穩(wěn)壓電源是一種常見的電子儀器，應(yīng)用于電子線路、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域［1］。常規(guī)的直流穩(wěn)壓電源是利用電源變壓器進(jìn)行降壓，當(dāng)體積和成本等因素受到限制時(shí)，最簡(jiǎn)便實(shí)用的方法是采用電容降壓式電路進(jìn)行降壓，與電源變壓器降壓相比，電容降壓具有電源體積小、經(jīng)濟(jì)、可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)［2］。電容降壓式直流電源的電路原理如圖1所示。

圖1 電容降壓式直流電源

圖1中，電容C1用于降壓，電阻R1主要用于斷電時(shí)的電容放電。電路采用橋式整流結(jié)構(gòu)，電容C2用于濾波，使輸出電壓波形比較平穩(wěn)，J1為交流電輸入接口。從圖1可以看出，電容降壓式直流電源僅使用電容C1、整流橋D1即可完成交流到直流、高壓到低壓的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)單易行，節(jié)約成本。

1 電路分析

電容降壓式直流電路中，最關(guān)鍵的部件為R1，C1并聯(lián)的降壓通路。從阻抗的角度對(duì)此電路進(jìn)行分析，則此RC并聯(lián)電路的等效阻抗可以按照式（1）進(jìn)行計(jì)算。

電流經(jīng)過整流橋后，成為直流電流，其大小和負(fù)載上的電流基本相同。也就是說，輸出電壓的大小取決于負(fù)載電阻和輸入電流。因此，如果需要對(duì)某一負(fù)載供電，已知負(fù)載的工作電壓，則首先需要計(jì)算出負(fù)載在額定電壓下的額定電流IN，然后根據(jù)IN計(jì)算出限流阻抗模值，從而選定限流電容，并根據(jù)電容值選定放電電阻，其計(jì)算過程如下：

1）計(jì)算IN

式（2）中，U2為負(fù)載額定電壓；Req為負(fù)載額定電壓下的等效電阻。

2）計(jì)算阻抗模值

由于電容C1的容抗遠(yuǎn)小于并聯(lián)的電阻，因此，得出阻抗模值，非常接近于容抗。容抗的計(jì)算公式如式（4）所示。

將式（3）、（4）聯(lián)立，可得電容C1值的計(jì)算公式（5）。

3）放電電阻的選擇

放電電阻的作用是當(dāng)系統(tǒng)斷電后，為限流電容C1提供一個(gè)放電回路，將儲(chǔ)存于電容中的電量迅速放掉。根據(jù)一階電路的零輸入響應(yīng)，可知電路的時(shí)間常數(shù)越小，放電時(shí)間越迅速，但如果電路的時(shí)間常數(shù)非常小，會(huì)影響輸出。因此，綜合考慮，電路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足下列條件：

式中，T為交流電源周期，此處為20ms，Tlim為要求的放電時(shí)間。如要求1s放電完畢，則放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足：

因此，根據(jù)式（5）、（6）、（7）可以完成小功率電容降壓式直流電源的設(shè)計(jì)和元件選型。

2 電路仿真和實(shí)際測(cè)試

為了進(jìn)一步說明問題，以0.5W的直流電源設(shè)計(jì)為例，對(duì)電路仿真和實(shí)際測(cè)試進(jìn)行詳細(xì)說明。首先根據(jù)式（5）計(jì)算出限流電容C1的參數(shù)為0.68u F，并根據(jù)式（6）選定R1為560K。根據(jù)圖1，可以畫出仿真電路原理圖，如圖2所示。改變?yōu)V波電容和負(fù)載大小進(jìn)行仿真，觀察輸出的電壓和電流，是否滿足負(fù)載對(duì)電源的要求。

圖2 仿真原理圖

為了說明輸出結(jié)果，在仿真時(shí)，分別采用幾種不同的濾波組合，并觀察不同的組合下仿真和實(shí)際輸出的電壓波形，由于負(fù)載是電阻，因此，電壓波形同時(shí)也是電流波形的反映。

1）R2＝300Ω，C2＝47μF

此時(shí)，電路的時(shí)間常數(shù)為τ＝RC＝300×47×10－6s＝14.1ms，此數(shù)值小于工頻交流電的周期（20ms），輸出電壓存在波動(dòng)。根據(jù)此參數(shù)搭建的電路，其輸出電壓波形如圖3所示?？梢钥闯?，輸出電壓在1V，以0.4V的幅度上下波動(dòng)，而且輸出電壓較低，說明本電路的輸出能力不足，無法驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載。

圖3 R2＝300Ω，C2＝47μF時(shí)的仿真和實(shí)測(cè)波形

2）R2＝1KΩ，C2＝470μF

此時(shí)，電路時(shí)間常數(shù)為τ＝RC＝1000×470×10－6＝470（ms），此數(shù)值遠(yuǎn)大于工頻電周期，經(jīng)過一個(gè)時(shí)間常數(shù)的時(shí)間后，輸出基本穩(wěn)定，電壓波動(dòng)比較小。經(jīng)過2倍時(shí)間常數(shù)后，輸出電壓穩(wěn)定在25伏，輸出波形如圖4所示?？梢钥闯?，實(shí)際測(cè)試的輸出電壓也穩(wěn)定在25伏，經(jīng)過計(jì)算，可以得出，負(fù)載上消耗的功率在設(shè)計(jì)功率范圍內(nèi)。

圖4 R2＝10KΩ，C2＝47μF時(shí)的仿真和實(shí)測(cè)波形

由上述可以看出，根據(jù)負(fù)載大小，選擇合適的電路參數(shù)，不僅可以滿足功率輸出的要求，而且可以使整流后的波形波動(dòng)較小，為后續(xù)的穩(wěn)壓電路提供了比較穩(wěn)定的電源輸入。

3 輸出穩(wěn)壓管電路

從上述仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出，無論如何調(diào)整RC時(shí)間常數(shù)，輸出電壓都有波動(dòng)。穩(wěn)定輸出電壓的方法很多，最常見的方法為采用穩(wěn)壓管。以三端穩(wěn)壓器為例，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在詳細(xì)分析其輸入和輸出的基礎(chǔ)上，可以得到其功率損耗情況，并據(jù)此得到等效電路。

1）測(cè)量數(shù)據(jù)

通過改變負(fù)載，測(cè)量三端穩(wěn)壓器的輸入電壓、電流，輸出電壓和電流，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同負(fù)載時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)

2）等效分析

由表1可以看出，輸入和輸出電流的差值基本恒定，近似等于空載時(shí)的電流。從功率分配的角度來分析，可得公式（8）：

式中，Uin、I0、Uout、I2分別表示輸入電壓、空載輸入電流、輸出電壓、輸出電流。從式（8）可以看出，輸入功率分為三部分，分別是空載損耗（靜態(tài)損耗）UinI0、壓降損耗（動(dòng)態(tài)損耗）（Uin－Uout）I2、輸出功率UoutI2。分別用符號(hào)P0、PΔ和Pout表示，則式（8）可寫為：

根據(jù)式（9），可得三端穩(wěn)壓器的π形等效電路，如圖5所示。

圖5 三端穩(wěn)壓器的等效電路

圖5中，電阻R0為等效的空載損耗（靜態(tài)損耗）電阻，可以根據(jù)空載電壓和電流計(jì)算得到。RΔ為動(dòng)態(tài)損耗的等效電阻，其數(shù)字不固定，其損耗功率的大小取決于輸入和輸出的電壓差和輸出電流值，RL為負(fù)載電阻。從圖5可以看出，在輸入和輸出電流差不變的情況下，輸入和輸出電壓差越小，三端穩(wěn)壓器自身的功耗越小。因此，在進(jìn)行電源限流電容選擇時(shí)，應(yīng)使整流后的輸出電壓不要高于穩(wěn)壓后負(fù)載上的電壓太多。

4 結(jié)束語

采用電容降壓、整流、穩(wěn)壓，最后得到直流電源，此種方式簡(jiǎn)化了電路，降低了成本，縮小了體積，但由于電容的容抗限制，輸出電流不能很大，因此，此種方式只能用于對(duì)電源功耗率要求比較小的場(chǎng)合，比較適合于生產(chǎn)和生活的小電器，因此此種方式應(yīng)用廣泛。

盡管電容降壓式直流電源的優(yōu)勢(shì)在于成本低，體積小，但其缺點(diǎn)也很明顯，主要是電壓沒有隔離，完全依靠電容承受高壓，如果電容擊穿，則后級(jí)電路將被損壞，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中必須采用耐壓等級(jí)高、穩(wěn)定性較好的CBB電容。

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