今天我们来分析一个交流220V转直流5V阻容降压电路。
阻容降压是一种使用极少的元器件、极低的成本就能实现的交流市电转为直流低压的电路,经常用在体积受限、成本敏感的设备中。
这个电路是很多年前看到的,是一个非常经典的电路,出处不详,虽然简单但却很实用。
我把它在multisim里面重画了一遍,便于仿真分析,如下图所示:
下面我们把这个电路分成几个部分,分别分析一下。
先看最左边的部分:
市电交流220V输入之后,首先经过保险丝X2,提供过流保护的功能。然后经过X1和C1,X1是压敏电阻(这里由于mutilsim软件中没有压敏电阻的元器件,我画了一个滑动变阻器代替),主要是用于浪涌防护、防雷击;C6是安规电容,用于滤波。
这三个器件的作用,都是为了提高电路的安全性和电磁兼容性。
接着是R1和C1的组合,以及R2、R3:
电容C1在电路中是用于降压,因为电容可以通过交流,但是理想情况下又不会产生功率消耗。所以,选择一定容值的电容,在交流电通过时有一定的容抗;这个电抗效应与后端的电路串联,分走了一部分电压,可以起到降压的作用。C1的选取对整个电路非常关键,它的容抗的计算公式为Rc=1/(2πfC),容抗要与后端电阻分压,以得到合适的输出。C1耐压至少要400V,而且是无极性电容,可以选取CL21聚酯或者CBB21聚丙烯电容。
电阻R1用于C1的放电,是为了在断开供电后,C1上的电压能够快速泄放掉。一般要求R1*C1<T,T是时间常数,与市电频率有关,一般选取时间常数小于300ms。R1的耐压要超过市电的最高电压。
R2和R3是用于保护的,防止某些时候接触不良,在C1有电的情况下,与市电的电压叠加时,对后端的电路产生高压损伤。一般按经验值,取二者之和为40~50Ω之间。
接下来是两个二极管D1和D2,这部分很简单,就是半波整流电路。其实这里用全波整流桥也是可以的,但是两个二极管更省成本。
要注意的是所选择的二极管耐压和电流要足够。
接下来是下面的滤波部分,也比较简单,就是RC滤波。
需要注意的是这里的R4的取值,因为R4上会有电流通过,取值太大会浪费很多功率,但是取值太小又会减弱滤波的效果,同时也不能配合后端的稳压管进行稳压,所以需要综合考虑。
最后是稳压管和负载,稳压管工作时是需要和前面串联的R4电阻相互作用的,否则不能稳压。D3选取时,选择与我们需要的电压值最接近的稳压管即可。
这里也需要注意稳压管的功率,由于输出电压是靠稳压管来调节的。加入负载和不加负载时,这部分电路的电流的变化要由稳压管来调节,所以需要验算一下在最大和最小输出功率的情况下,稳压管是否还能在稳压状态下工作。
好了,到这里,电路就分析完了。其实整个电路的核心,就是完成了降压、整流、滤波、稳压这几个功能。
我们再做一下电路的仿真:
可以看到,半波整流、电容滤波后的电压,差不多在6V~8V;再经过RC滤波、稳压管稳压后,基本稳定在5.1V左右,而且波动很小。
同时,也注意到,这个状态下,负载电流很小时,大部分电流都从稳压管上流过去了,效率是比较低的。当负载电流增大时,可以预见R4上的压降也会增加,有可能会导致稳压管上的电压达不到5.1V。所以阻容降压电路不太适用于负载变化较大的情况,一般用于负载基本不变的场合。
此外,由于阻容降压电路,即使经过了降压,也还有一端直接连接到了市电220V电线上,所以是有一定触电危险性的,一般只能用在人体不会触碰到的场合。
除了上面分析的这种形式,阻容降压还有很多其他的实现方式,但其核心大多都是采用电容串联降压,之后再整流,最后滤波、稳压,这里我收集了一些类似的电路,有兴趣的可以自己分析一下:
下面这个电路中简化了滤波电路:
下面这个电路,把稳压管也用到了整流功能中,又省了一个二极管;并滤波电路也简化了:
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