典型的阻容降压电路

一、概述

将交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法就是采用阻容降压式电源。阻容降压包括电容降压和电阻降压两种。电容降压的原理用复函数来分析:电容的阻抗Xc=1/jωC,电容上的压降IXc,此处I为复函数电流。也可近似表示为IoXc，此处Io为负载电流。

电容降压整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，故不适合大电流供电的应用场合。

本文将根据从基本到复杂的顺序，介绍这几种常见电容降压和电阻降压的典型电路。在实际应用中应优先选择图5和图6的线路。在有可控硅的系统中，应优选负电源。

二、典型电路

1、单负电源电容降压半波整流电路

该电路常用于电流小，空间有限，电源单一，有可控硅控制的电路中。可避免可控硅使用在第四象限。如无可控硅控制优先选用全波整流。

1.1原理图

1.2电路参数选型及分析

1.3电路原理分析

上面图1是基本的半波阻容降压电路。经过电容的电流和电容阻抗的乘积就是电容的压降。经过电容降压的电源，有半个波经过ZD1被消耗掉。另一半波，经D1流过负载被使用,ZD1稳定负载的电压。

1.4该类电路的应用场合说明

该电路常用于电流小，空间有限，成本要求高的系统中。特别是用可控硅控制的线路，可避免可控硅使用在第四象限，优势特别明显。

1.5注意事项

A.若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
B.为保证CX可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
C.泄放电阻R2的选择必须保证在要求的时间内泄放掉CX上的电荷。

D.电流保险丝的规格应大于1.25A，太低过浪涌测试时容易烧毁，并且生产时也容易烧毁。

E.电阻R1应为阻燃的线绕电阻，在有保险丝时可省掉。

2、单正电源电容降压全波整流电路

该电路常用于电流小，空间有限，成本要求高的系统。由于采用全波整流，电流是半波整流的两倍。但此电路不适合有可控硅控制的系统。

2.1原理图

2.2电路参数选型及分析

2.3电路原理分析

跟半波整流一样，经过电容的电流和电容阻抗的乘积就是电容的压降。经过电容降压的电源，经过桥式整流，正负半周都被利用，经ZD1稳压后得到稳定电压。

2.4该类电路的应用场合说明

该电路常用于电流小，空间有限，成本要求高系统，相对于半波有电流大的特点。但不能用于可控硅控制系统中

2.5注意事项

A.若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
B.为保证CX可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
C.泄放电阻R2的选择必须保证在要求的时间内泄放掉CX上的电荷。

D.电流保险丝的规格应大于1.25A，太低过浪涌测试时容易烧毁，并且生产时也容易烧毁。

E.电阻R1应为阻燃的线绕电阻，在有保险丝时可省掉。

3、双负电源电容降压电路

该电路是实际应用电路，是在前面单负电源电路的基础上多了一个直流降压稳压电路。

3.1原理图

3.2主要电路参数选型及分析

3.3电路原理分析

前面部分单负电源电路的原理分析，前面也作了介绍。直流降压稳压电路有两种，第一种是由TR1和C6,ZD3,R4组成的三极管降压稳压电路。ZD3为负载电压提供一个基准电压，TR1为调整管。第二种是由电阻R5和ZD2组成。电阻R5为分压作用，ZD2为稳压作用。

3.4该类电路的应用场合说明

该电路常用于电流小，空间有限，要求有两个电源，使用可控硅控制的系统中。可避免可控硅使用在第四象限。无可控硅优选全波整流，即双正电源阻容降压电路。

3.5注意事项

A.若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
B.为保证CX可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
C.泄放电阻R2的选择必须保证在要求的时间内泄放掉CX上的电荷。

D.电流保险丝的规格应大于1.25A，太低过浪涌测试时容易烧毁，并且生产时也容易烧毁。

E.电阻R1应为阻燃的线绕电阻，在有保险丝时可省掉。

F.此降压稳压部分不能用7905，这样可控硅还是不能使用。

4、双正电源电容降压电路

该电路是实际应用电路，是在前面单正电源电路的基础上多了一个直流降压稳压电路。

4.1原理图

4.2主要电路参数选型及分析

4.3电路原理分析

图中阻容降压部分的原理可参见第2部分的单正电源阻容降压电路。直流降压稳压部分和第3部分双负电源阻容降压的部分相同，只是增加了一个7805的稳压典型电路。

4.4该类电路的应用场合说明

该电路常用于电流小，空间有限，要求有两个电源，成本要求高的系统。由于采用全波整流，

电流是半波整流的两倍。但此电路不适合有可控硅控制的系统。

4.5注意事项

A.若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
B.为保证CX可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
C.泄放电阻R2的选择必须保证在要求的时间内泄放掉CX上的电荷。

D.电流保险丝的规格应大于1.25A，太低过浪涌测试时容易烧毁，并且生产时也容易烧毁。

E.电阻R1应为阻燃的线绕电阻，在有保险丝时可省掉。

5、串联型双电源半波电容降压电路

与双负电源阻容降压电路相比，此电路将两个电源串联，省去了直流降压回路。同时两电源串联比并联省电流，这样减小电容值，在空间和成本上比并联更具优势。同时又具备了双负电源阻容降压电路的特点。

5.1原理图

5.2主要电路参数选型及分析

5.3电路原理分析

上述电路，电源经电容降压，二极管半波整流后，ZD1和ZD2串联稳压，分别得到一个5.1V和24V直流电源。对于此种电源方式，继电器负载的连接方式可采用上面的实例。TR2驱动继电器，但TR2的驱动要用TR1实现电平转换。

5.4该类电路的应用场合说明

该电路常用于电流小，空间有限，要求有两个电源，使用可控硅控制的系统中。可避免可控硅使用在第四象限。无可控硅优选全波整流，即串联型双电源半波电容降压电路。

5.5注意事项

A.若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
B.为保证CX可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
C.泄放电阻R2的选择必须保证在要求的时间内泄放掉CX上的电荷。

D.电流保险丝的规格应大于1.25A，太低过浪涌测试时容易烧毁，并且生产时也容易烧毁。

E.电阻R1应为阻燃的线绕电阻，在有保险丝时可省掉。

F.继电器的连接要采用两个三极管。

6、串联型双电源全波电容降压电路

此电路和第5种电路不同是采用了全波整流，因此更能节省电流，减小了电容值。但不能用于可控硅电路。

6.1原理图

6.2电路参数选型及分析

6.3电路原理分析

和第5种电路相同，只是由半波改成了全波，从而继电器的接法不同而已。

6.4该类电路的应用场合说明

该电路常用于电流小，空间有限，要求有两个电源，不使用可控硅控制的系统中。在可控硅时优选半波整流，即串联型双电源全波电容降压电路。

6.5注意事项

A.若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
B.为保证CX可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
C.泄放电阻R2的选择必须保证在要求的时间内泄放掉CX上的电荷。

D.电流保险丝的规格应大于1.25A，太低过浪涌测试时容易烧毁，并且生产时也容易烧毁。

E.电阻R1应为阻燃的线绕电阻，在有保险丝时可省掉。

F.继电器的连接要采用两个三极管。

7、三电源电容降压电路

在不多的特殊情况下，我们要用到三个电源，下图是一个技巧型三电源电路。

7.1原理图

7.2电路参数选型及分析

7.3电路原理分析

图7是前面电路的扩增，相同部分的原理可参见前面的电路分析。此处只介绍继电器和ZD2稳压管。继电器和稳压管ZD2并联，继电器要工作时，I/O口输出高电平，TR3截止，电流通过继电器线圈，由ZD2稳压，保证线圈不被烧毁，此时12V和5V的电流由继电器和稳压管提供。I/O口输出低电平时，TR3导通，继电器上无电压（很小），继电器不工作，此时12V和5V的电流由三极管提供。

7.4该类电路的应用场合说明

该电路常用多种电源的情况，能提供三种电源。但不能在有可控硅控制的系统中。

7.5注意事项

A.若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
B.为保证CX可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
C.泄放电阻R2的选择必须保证在要求的时间内泄放掉CX上的电荷。

D.电流保险丝的规格应大于1.25A，太低过浪涌测试时容易烧毁，并且生产时也容易烧毁。

E.电阻R1应为阻燃的线绕电阻，在有保险丝时可省掉。

F.继电器的连接要采用两个三极管。

G.R7必不可少，不然会烧掉三极管

8、串联双电源电阻降压电路

对于一些电流要求小，并且要求不高的电路，可以直接电阻降压。或者，电源环境温度高的电路必须用电阻降压。

8.1原理图

8.2电路参数选型及分析

8.3电路原理分析

图8中，R2,R3串联组成的电路，总共阻值为2*2700＝5.4K。在AC 120V时能提供的电流为(120-29)/5400≈17MA。半波时电阻上的功率应为I*I*R/4=0.017*0.017*2700/4=0.195W；全波时电阻上的功率应为0.195*4＝0.78W。

8.4该类电路的应用场合说明

一些电流要求小，并且要求不高的电路；或者，电源环境温度高的电路必须用电阻降压。

8.5注意事项

要充分注意电阻的耐压和温升。

四、总结

以上线路中，半波相对全波，输出同样的电流，电容容值要大，成本要高，但对于可控硅控制的线路，可避免可控硅使用在第4象限。

稳压电路除稳压二极管管稳压之外，也可以采用三端稳压器稳压和三极管型稳压。

讨论阻容降压，电流和电容的关系很大。一般阻容降压电流都不能做得很大，于是节省电流是相当重要。我们应优先选择图5，图6的电路。

有些电路虽然普遍存在，如半波整流正电源电路，但相对全波成本更高，不被公司采用。

直接用电阻降压的电路，在环境温度高时，必须使用。

以上的线路没包括全部阻容降压，从以上电路可延伸更多电路。

一 阻容降压的基本概念

1、什么是阻容降压？

阻容降压是一种利用电容在一定频率的交流信号下产生的容抗来限制最大工作电流的电路。

电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

2、阻容降压电路由哪几部分组成？

阻容降压电路由降压模块、整流模块、稳压模块和滤波模块组成。

3、阻容降压基本设计要素

电路设计时，应先确定负载最大工作电流，通过此电流值计算电容容值大小，从而选取适当电容。

此处与线性变压器电源的区别：阻容降压电源是通过负载电流选定电容；线性变压器电源是通过负载电压和功率选定变压器。

阻容降压电流计算

阻容降压电路可以等效为由降压电容C1和负载电阻R1组成，电阻和电容串联分压。

电容C1的容抗为Zc=-j/wC=-j/2πfC

电阻R1的阻抗为Zr=R

总的等效阻抗为Z=Zc+Zr=-j/2πfC+R

所以I=U/Z=U/(Zc+Zr)=U/(-j/2πfC+R)

因为阻容降压电源仅适用于小电流电路，选取的电容容值范围一般为0.33UF到2.5UF，所以Zc为-1592j到-9651j。而等效负载阻抗Zr在200Ω左右，显然有|Zc|>>|Zr|，同时输入电源电压分在负载上的压降也远小于电容的压降，所以有：Z≈Zc，矢量图的θ角接近于90°。

由此可得:

I=U/Z=U/Zc=U/(-j/2πfC)

=220*2π*f*C*j

=220*2π*50*C*j

=j69000C

I=|I|∠90°，电流有效值I1=|I|=69000C。当整流方式采用半波整流时，I1=0.5|I|=34500C。

设计举例

已知条件：负载工作电流15mA，工作电压5V。求降压电容容值？

采用半波整流方式，根据计算式I1=0.5|I|=34500C可知，C=0.43uF。所以此处选用0.47uF的电容，反过来可以验证提供的电流I1=34500C=16.2mA，多余电流从稳压管流过。

阻容降压的优点：

体积小；成本低。

阻容降压的缺点：

非隔离电源，不安全；

不能用于大功率负载；

不适合容性和感性负载；

不适合动态负载。

二、阻容降压的基本原理

1、电容充电放电原理

电容是一种以电场形式储存能量的无源器件。电容充放电过程的本质是两导电平行板获取与释放电子的过程。

电容充电：

当电容内电场强度E小于电容两端外接电源电压U时，电容开始充电。此时电容正电极不断失电子，负极不断得电子，内电场E不断增强直到与外接电压U相等时，充电结束。

电容放电：

当电容内电场强度E大于电容两端外接电源电压U时，电容开始放电。此时电容正电极不断得电子，负极不断失电子，内电场E不断减弱直到与外接电压U相等时，放电结束。

电容的直流充电放电过程

如上图充电过程，求C1电压冲到1V时间：

因为V0=0V、Vt=1V、V1=5V、R=10K、C=0.1uF，所以T=10000*0.1*0.000001*Ln（5/4)=223uS

电容的交流充电放电过程

电容的直流充电放电是一次完成的，而交流充电放电是一个不断重复出现的过程。

全波整流电路

半波整流电路

各元器件作用和选择

F1：保险丝，起过流保护作用，选用400mA250V型号。

RV1：压敏电阻，起浪涌保护作用，一般选用10D471K型号。

C1: 降压电容，利用较大的容抗限制电路总电流。常用聚酯电容(CL21)、聚丙烯电容(CBB21)、安规电容(X2) ，容值依负载需求而定，此电容容量越大电路越不安全，在设计此电路时，如果220VAC供电情况下容量超过2.5uF，110VAC供电情况下容量超过4uF就因该放弃阻容降压考虑其它电路。此处选用0.56uF安规电容(X2)，提供19mA电流。

R2：放电电阻，断电后为电容C1提供放电回路，防止在快速插拔电源插头或插头接触不良时C1电容上的残余电压和电网电压叠加对后续器件形成高压冲击和防止拔出电源插头后接触到人体对人员产生伤害。一般要求断电后C1电压衰减到37%的时间应小于1秒，因为T=RC*Ln[（V0-V1)/(Vt-V1）],所以T=RC，R=t/C，R<1/C。此处用3个390K的0805贴片电阻（分担电压和功率）。

R1：限流电阻，此电阻主要是防止首次上电和在快速插拔电源插头或插头接触不良时所产生的高压冲击对整流二极管的损坏。电容C2在首次上电如果刚好碰在波峰处，因C2在通电瞬间呈短路状态（一阶零状态响应），此时交流电源直接加在R1和整流管上，R1上有220VAC*1.414=311VDC瞬间直流电压，如果上电时C1电荷未放完，此电压可能会更高 。所以R1要选择耐电流冲击强和耐高压的电阻，R1电阻不能太小，也不能太大，电阻太小冲击电流大，电阻太大整个电路功耗增大。整流二极管的峰值电流一般会比较大，如1N400X系列峰值电流为50A，所以一般取R1电阻在10-50Ω之间。

DZ1:稳压二极管，选用1N4733，稳压电压Vz为5.1V。DZ1的最大稳压电流Iz必须大于电容C1最大充放电电流。

R5：与电容E1、C2组成RC滤波，减小纹波。

D1：整流二极管，起半波整流作用，选用1N4007。

D2：整流二极管，起半波整流作用，选用1N4007。

E1：电解电容，对稳压后的电压滤波，同时在电源关断的半个周期为负载提供电能。电源下半个周期来临前，E1必须保证为负载提供的电压不能衰减太多，此处选用1000uF25V型号。T=RC*Ln[（V0-V1)/(Vt-V1）]=10mS，所以衰减后的电压Vt=4.8V。

C2：贴片电容，滤波作用，选用0.1uF。

R6：放电电阻，断电后为E1提供放电回路，一般为5~10K。

R7：等效负载。

主要元器件的图片

一次熔断保险丝

自恢复保险丝

压敏电阻

金属化聚酯膜电容器(CL21)

金属化聚丙烯电容器(CBB21)

X2安规电容器(CBB62/MKP)

三、阻容降压的应用

阻容降压因其体积小成本低的特点，适合于小功率小电流负载。常见应用有电能表、小功率LED灯驱动、小家电和温控器等。

LED灯驱动

小家电应用

风扇控制器

电暖气控制器

咖啡机

电阻电容降压电路，是我们常用的常见的供电方式之一，一般应用于小家电的电路，如电风扇、暖奶器、酸奶机、煮蛋器、拉发器等等。因为阻容降压供电电路成本低，所以很多厂家还是愿意使用，尽管存在很多的缺点。

一般采用阻用降压供电的小家电

我们看一下常见的阻容降压电路：

全波整流

半波整流

我们看到，整个电路包括的器件极少，CBB电容（或者安规电容）、二极管（1个、2个或者4个）、稳压管（由输出电压决定电压值），滤波的电解电容，由此可见这个供电电路的成本是相当的低廉。

这个电路的缺点很明显了：1、不隔离，整个电路都是带电的；2、提供的电流小，一般在100MA以下；3、功率因数极低，不过考虑到本身功率很小，这个影响倒不是很大；4、使用寿命短，比如稳压管烧坏、降压电容容量降低造成供电不足、滤波电容损坏后造成整个电路烧坏。

本文要讨论的是最后一个问题，怎么降低电路损坏的风险。上面列举的3种电路中，存在的几大隐患：稳压管容易击穿，滤波电解电容容易老化。

1、稳压管为什么容易击穿？我们知道220V交流电峰值电压是311V，在峰值电压下，流过稳压管的电流就会比平均值大1.4倍，而且是通电时如果刚好是接近峰值电压值，降压电容C1电压为0，等于是短路状态，此时瞬间电压加在稳压管和滤波电容上，虽然电容电压不能突变，可是电容也是有电阻值的，瞬间电流会比较大，电容上产生的瞬间电压就会比较高，超过稳压管稳压值时，稳压管必然会流过相对较大的电流，稳压管有瞬间击穿的风险。稳压管击穿是最常见的损坏现象。

2、滤波电解电容的老化，上面提到电压在峰值时，电流会是平均电流的1.4倍，那么电解电容上的电流变化是比较大的，长期的大纹波电流流过电解电容，就会造成电解电容的老化，容量下降，而容量下降后，纹波电流变得更大，会加速老化过程。

3、还有一种是由于降压电容采用CBB电容，CBB电容寿命短，容量容易下降。为减少稳压管损坏风险，电路设计时采用的CBB电容容量值刚好够用，在使用一段时间（如1年）后，容量下降，造成电路供电不足，后级电路就无法正常工作。

针对以上问题，将电路稍改进一下，以全波整流为例，电路如下：

1、抗冲击输入电阻R2：一般采用几欧~几十欧，可以在通电瞬间减少冲击电流，另外在后面电路短路时起到保险电阻作用。

2、稳压管保护电阻R3：一般采用几欧~几十欧，以上电路中，整流桥后直接接的滤波电解电容E1，E1耐压值要稳压管的2倍或以上。电解电容在通电瞬间或者电网电压突变时，电压会上升的比较高，比如12V电压上升到13V，在传统电路中，稳压管必然会流过很大的电流，而改进后，图1稳压管串接保护电阻，使流过稳压管的电流变得波动很小，但是输出电压会随着波动到13V，后级电压要求不高时可按电路1改进。图2电路同时有R3保护电阻，E1电压上升时，稳压管的电流波动很小，而且输出电压由于有稳压管+滤波电容E2的限制，波动极小，滤波电容E2的耐压值可以降到稳压管电压值的1.2倍。

由以上分析可见，加入2个电阻后，对稳压管、滤波电解电容都起到了保护作用，大大的提高了阻容降压电路的可靠性和寿命。