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电容限流式整流电源的特点和使用注意事项

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:550

中电网

该电路只有七八个元件:(1)限流电容c1,(2)泄放电阻r,(3)整流桥(1n4007×4),(4)滤波电容c2。

  笔者在设计制作一系列超高亮度led灯具实践中,为大幅缩减灯具电源的体积重量和尽量降低制作成本,都采用了电容限流整流电源。然而,实际上要真正应用好此类简易电源也并非容易。首先在选择限流电容c1时,需根据负载的具体工作电流(电压)、应用容抗计算公式或其他经验公式进行粗略估算(有关具体估算方法,在相关电子书刊或电子报上都屡有介绍)。出于兴趣和对该电源在实际使用中的安全性和可靠性上的考虑,笔者对这种电源进行了实践,揭示了有关电容限流整流电源的一些重要认识和体会,现写出来供电子爱好者参考。

  在实践过程中,还无意发现了一个比较有趣的现象:就是该电源交流输出各支路电压之和不等于交流输入的总电压,即用万用表交流电源挡去单独测试v2、v3(有效值),或用两表同时测试v2、v3(有效值)再与输入总电压(有效值)相比较,出现了不平衡现象,于是就发生了v2+v3>v1(220v)的怪异现象。在重温了正弦交流电路相关基础知识后才晃然大悟:正弦电路,电路中各部分的电压及各支路内的电流存在着相位差,这时电路总电压的有效值,不等于部分电压有效值之和。因为正弦电压,电流相加(减)时,其结果不仅与各相加(减)的正弦量的大小(有效值)相关,还与它们的初相位有关。因此仅用有效值相加(减),并不能反映出正弦量相加(减)的全貌,自然它不满足基尔霍夫定律。对于交流电路而言,只有瞬时值之间的关系才服从基尔霍夫定律。

  电容限流式整流电源与带有电源变压器的整流电源相比较,并不仅仅只在外观上少了一个变压器和多了一个变压器的差异,而是两种电源存在本质上的区别。笔者认为前者是一种电流源,而后者属于电压源,而且电容限流整流源的内阻一般比较高(电压源的内阻比较小)。若忽略整流桥等内阻的因素,它的内阻ro主要取决于容抗xcl的值,例如输出电流为100ma左右的电源,它的容抗xcl(即内阻ro的值)通常在2kω左右。在外部交流220v输入电压变化不大,负载rz《r0(xcl值)的情况下,可将这种电容限流源近似看作为恒流源,于是这种电源就有一个重要特征:即负载两端不怕短路只怕开路,与电压源只怕短路不怕开路的特性正好相反。

  理由是:电容限流整流源,在输出负载端发生短路情况下,它的输出电流仍被容抗xc,限制或锁定在该负载相匹配的电流值上,故绝不会在各整流桥臂上产生过电压和过电流,整流桥等元件也不会因此而受损。此时只不过是输入220v电源,在正负各半周时分别流经各自整流桥臂及短路线后,对限流电容c1进行正反两个方向的充放电而已,并且在该限流电容c1上(除并联在c1上的泄放电阻r上略有一点微小功耗外),并不损耗有功功率(但存在一定无功损耗)。至于电容限流整流源只怕输出负载端开路(空载)的原因是:由于此时的负载rz上,相当于无穷大的输出电压会升得很高,实测可达300vdc左右,即使负载电阻没有开路,由于某种原因,rz变化到》r0(×c1值),此时电流iz和负载rz的乘积仍可达到300vdc左右(具体视负载大小而定),这样在实际应用中就会产生一个问题,即按正常情况下,220v电源经限流、整流、滤波后,若iz在负载两端建立的直流电压为几十伏,那么按理滤波电容c2的耐压值也只需选择在几十伏,再适当增加一点余量即可,这对少占机壳空间和节约成本固然有利,但是负载一旦损坏断路,则马上就会在其输出端产生直流高压,将滤波电容c2击穿(发热冒烟),从安全上讲显然也是不允许的。因此为安全起见,c2的耐压值最好还是选择为≥400vdc。

  根据上述原理,除将c2的耐压值提高到400v外,还需考虑到在负载损坏(开路)后在c2上仍会被充上300v直流高压,这一暂存高压,仍会保持相当时间(即使切断220v输入电压后),如不及时释放,在维修或更换元件时,如忘记先在负载两端人工放电,势必仍会危及人体或使新更换上的负载(元件)继续受损,这种可能性是存在的。为此需在输出负载两端再并联一个大功率电阻r′(r′》rz),作为放电电阻(约1.5w~2w),这个放电电阻在电器正常工作时,由于负载电阻两端的电压较低,电流很小,故功耗也很小。一旦负载开路,在切断220v电源后原先充在c2上的直流高压就会通过r′较快自动获得释放,消除安全上的隐患。为确保负载安全运行,最好在输出端再并联一个稍大于v4值的压敏电阻,或tvs管(即瞬变电压抑制二极管),这样能有效拦截加在负载上的瞬时过电压或过电流。

  在电容限流整流源中,限流电容c1经计算,一旦确定后,则输出负载电流也同时被确定。如负载rfz改变则c1需重新计算,故不要错误认为只看和v4的输出电压相同,就以为这种电源可到处代用。此外控制电路与负载不可共用一组电源,否则会相互牵制发生跷跷板现象,打破原有输出电流和电压的平衡(即使采用稳压钳位等措施都无济于事,甚至是得不偿失的)。

  电容限流整流电源,不适用于负载变化较大的电路(如交直流放大电路)
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该电路只有七八个元件:(1)限流电容c1,(2)泄放电阻r,(3)整流桥(1n4007×4),(4)滤波电容c2。

  笔者在设计制作一系列超高亮度led灯具实践中,为大幅缩减灯具电源的体积重量和尽量降低制作成本,都采用了电容限流整流电源。然而,实际上要真正应用好此类简易电源也并非容易。首先在选择限流电容c1时,需根据负载的具体工作电流(电压)、应用容抗计算公式或其他经验公式进行粗略估算(有关具体估算方法,在相关电子书刊或电子报上都屡有介绍)。出于兴趣和对该电源在实际使用中的安全性和可靠性上的考虑,笔者对这种电源进行了实践,揭示了有关电容限流整流电源的一些重要认识和体会,现写出来供电子爱好者参考。

  在实践过程中,还无意发现了一个比较有趣的现象:就是该电源交流输出各支路电压之和不等于交流输入的总电压,即用万用表交流电源挡去单独测试v2、v3(有效值),或用两表同时测试v2、v3(有效值)再与输入总电压(有效值)相比较,出现了不平衡现象,于是就发生了v2+v3>v1(220v)的怪异现象。在重温了正弦交流电路相关基础知识后才晃然大悟:正弦电路,电路中各部分的电压及各支路内的电流存在着相位差,这时电路总电压的有效值,不等于部分电压有效值之和。因为正弦电压,电流相加(减)时,其结果不仅与各相加(减)的正弦量的大小(有效值)相关,还与它们的初相位有关。因此仅用有效值相加(减),并不能反映出正弦量相加(减)的全貌,自然它不满足基尔霍夫定律。对于交流电路而言,只有瞬时值之间的关系才服从基尔霍夫定律。

  电容限流式整流电源与带有电源变压器的整流电源相比较,并不仅仅只在外观上少了一个变压器和多了一个变压器的差异,而是两种电源存在本质上的区别。笔者认为前者是一种电流源,而后者属于电压源,而且电容限流整流源的内阻一般比较高(电压源的内阻比较小)。若忽略整流桥等内阻的因素,它的内阻ro主要取决于容抗xcl的值,例如输出电流为100ma左右的电源,它的容抗xcl(即内阻ro的值)通常在2kω左右。在外部交流220v输入电压变化不大,负载rz《r0(xcl值)的情况下,可将这种电容限流源近似看作为恒流源,于是这种电源就有一个重要特征:即负载两端不怕短路只怕开路,与电压源只怕短路不怕开路的特性正好相反。

  理由是:电容限流整流源,在输出负载端发生短路情况下,它的输出电流仍被容抗xc,限制或锁定在该负载相匹配的电流值上,故绝不会在各整流桥臂上产生过电压和过电流,整流桥等元件也不会因此而受损。此时只不过是输入220v电源,在正负各半周时分别流经各自整流桥臂及短路线后,对限流电容c1进行正反两个方向的充放电而已,并且在该限流电容c1上(除并联在c1上的泄放电阻r上略有一点微小功耗外),并不损耗有功功率(但存在一定无功损耗)。至于电容限流整流源只怕输出负载端开路(空载)的原因是:由于此时的负载rz上,相当于无穷大的输出电压会升得很高,实测可达300vdc左右,即使负载电阻没有开路,由于某种原因,rz变化到》r0(×c1值),此时电流iz和负载rz的乘积仍可达到300vdc左右(具体视负载大小而定),这样在实际应用中就会产生一个问题,即按正常情况下,220v电源经限流、整流、滤波后,若iz在负载两端建立的直流电压为几十伏,那么按理滤波电容c2的耐压值也只需选择在几十伏,再适当增加一点余量即可,这对少占机壳空间和节约成本固然有利,但是负载一旦损坏断路,则马上就会在其输出端产生直流高压,将滤波电容c2击穿(发热冒烟),从安全上讲显然也是不允许的。因此为安全起见,c2的耐压值最好还是选择为≥400vdc。

  根据上述原理,除将c2的耐压值提高到400v外,还需考虑到在负载损坏(开路)后在c2上仍会被充上300v直流高压,这一暂存高压,仍会保持相当时间(即使切断220v输入电压后),如不及时释放,在维修或更换元件时,如忘记先在负载两端人工放电,势必仍会危及人体或使新更换上的负载(元件)继续受损,这种可能性是存在的。为此需在输出负载两端再并联一个大功率电阻r′(r′》rz),作为放电电阻(约1.5w~2w),这个放电电阻在电器正常工作时,由于负载电阻两端的电压较低,电流很小,故功耗也很小。一旦负载开路,在切断220v电源后原先充在c2上的直流高压就会通过r′较快自动获得释放,消除安全上的隐患。为确保负载安全运行,最好在输出端再并联一个稍大于v4值的压敏电阻,或tvs管(即瞬变电压抑制二极管),这样能有效拦截加在负载上的瞬时过电压或过电流。

  在电容限流整流源中,限流电容c1经计算,一旦确定后,则输出负载电流也同时被确定。如负载rfz改变则c1需重新计算,故不要错误认为只看和v4的输出电压相同,就以为这种电源可到处代用。此外控制电路与负载不可共用一组电源,否则会相互牵制发生跷跷板现象,打破原有输出电流和电压的平衡(即使采用稳压钳位等措施都无济于事,甚至是得不偿失的)。

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