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电容降压 1

电容降压 1

qzlbwang
这个帖子的目的:
1、帮助初学者正确理解电容降压问题。消除某些容易产生的误区。
2、让其达到“知其然,知其所以然”的目的。
3、学会正确进行估算和进行比较精确的计算方法。
4、提醒使用过程中的细节问题。
希望对初学者有所帮助。错误之处也欢迎大家拍砖。


电容降压(包括阻容降压)电路属于串联阻抗降压电路。原理上与串联电阻降压类似。但是由于主要是依靠串联电容的容抗进行降压的,所以有功功率损耗非常微小(理想的电容理论上的有功损耗等于0)。对供电端来说只是额外增加了容性的无功电流而已。
先来看最简单的:
    假定负载是纯电阻性的。我们用电阻R来替代。那么串联电容降压实际上就是一个电阻电容串联电路。实际应用时大多数情况下我们需要得到一个比较低的输出电压,那么其串联的降压电容的容抗就远远大于电阻R。如下图:

从上述公式中我们可以看出:
                       1、电流与输入交流电压成正比。
                       2、电流与RC串联的阻抗成反比。
                       3、对于容抗Xc远大于电阻R的情况下,电阻R的变化对电流的影响比较小。(R的变化造成的阻抗Z的变化比较小)
                       4、输出电压与电流成正比,与电阻也成正比。
我们是否可以得出这样的结论(Xc>>R的情况下,下同):
                  
                       1、电流(输入、输出)相对于输入电压的变化来说是成正比的关系。(并非恒流或近似恒流)
                       2、电流相对于负载电阻的变化来说是近似恒流关系。R的变化对电流的影响比较小。
                       3、输出电压正比于电阻R和输入交流电压,反比于阻抗Z(近似反比于容抗Xc,或者说近似正比于电容量C)。


http://www.crystalradio.cn/data/attachment/forum/201210/24/1646111n1nhu8z5hzh8urb.jpg

http://www.crystalradio.cn/data/attachment/forum/201210/25/090304j4s2rr7jt9wv7iwz.jpg
这张表是在电源频率为50Hz、电压为220V的情况下作出的。
如果输入电压不是220V,那么其电流和输出电压都需要乘以(Ui/220)这个系数。比如说380V输入时,就需要乘以1.73。
输出有桥式整流的情况:

忽略整流桥正向压降的影响(影响很小),那么计算和上面类似,只不过对于直流来说,一般都用平均值来度量。而全部整流的平均值是其有效值的0.9倍。

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由于有滤波电容的存在,过零点附近滤波电容上仍然有一定的电压,那么就会在这附近无电源电流流过,也就是说电流的导通角要减少。所以其输出电流要比没有此电容时要略小。偏小的程度和电容上的残留电压有关,也即和该电容的大小有关。那么到底影响有多大呢?我们不妨假设极限的情况看看:
假定该滤波电容足够大,使得其上的电压保持不变。由于这时候输入电流已经不是完整的正弦波,我们不能用前面的阻抗进行计算。我们就另辟蹊径:
1、输入的交流电压的峰值是1.414倍的有效值。用Up表示。
2、滤波电容上的电压(也就是输出电压)是Ud。
3、降压电容(C1)上的峰值电压是±(Up-Ud),
4、在一个周期内,降压电容上的电压的变化达2(Up-Ud)。其吞吐的电荷为Q=C1*4(Up-Ud)
5、那么其电流的平均值为:
                    Id=Q/t=C1*4(Up-Ud)/T
                   式中:Id是电流平均值,单位是mA
                                     C1是降压电容的容量,单位是μF
                                     Up是电源电压的峰值,单位是V
                                     Ud是输出直流电压,单位是V
                                     T是交流电源的周期,单位是ms
                                    
对于输入电压50Hz,电压220V来说:
                    Id=C1(311.1-Ud)/5

对比以上数据可以看出,加了滤波电容后输出电流略有下降。实际的情况在两者之间(因为滤波电容容量不可能达到理想情况),其容量越大,输出纹波越小,越接近本表的情况。

降压电容的估算:(对应于220V50Hz的输入电压)
1、对于交流输出的场合:C=I/(66~69)
2、对于无滤波电容的桥式整流场合:C=Id/(59~62)
3、对于有足够大滤波电容的桥式整流的场合:C=Id/(50~61)
      其中:C为降压电容的容量,单位μF
               I为交流电流的有效值,单位mA
               Id为直流电流的平均值,单位mA
     其分母的系数,输出电压较高的取较小的数值,反之取较大的数值。(60V左右取最小值,5V及以下取最大值)

比较精确的计算:(足够大滤波电容的情况)
          C=Id×5/(311-Ud)
      符号的意义及单位与上述相同。对于交流输出和直流侧无滤波电容的情况按顶楼的公式进行计算(公式经适当变形),此处略。
滤波电容的近似计算:
滤波电容大小按对输出电压纹波的大小来选择,假如其纹波的峰-峰值为Up-p=Udmax  - Udmin,电容放电时间按6ms进行估算,则:C≥Id×6/Up-p   
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