傅璐璐，赵 洪 ，许增信，刘礼进

（1.丽水职业技术学院，浙江 丽水 323000；2.浙江华鑫起重机械有限公司，浙江 松阳 323004）

0 引 言

电源降压变换电路是最常见的电路结构，运用电容对交流电的电抗作用实现对电源电路的降压变换，具有成本低和体积小等优点[1]，在小功率电源电路中应用十分广泛。电容降压电路从本质上说是利用电容对交流电产生的电抗阻碍电流的通过，实现降压。实践中，部分厂家在电路设计存在缺陷，导致因输出电压不稳定而损坏设备。如何准确设计电容降压式电路，确保应用电路的可靠与稳定是电路成功设计的关键。

1 串联与并联式稳压电路的区别

为了理解电容降压式电源变换电路原理，首先要区分串联稳压电路与并联式稳压电路在工作原理上的区别[1]。如图1和图2所示。图中Rs为调整电阻、RL为负载电阻、R1为串联降压电阻。

图2 并联式稳压电路原理简图

1.1 串联稳压电路

图1为串联稳压电路的原始模型，根据基本定律可知:

图1 串联式稳压电路原理简图

又因为：

所以：

电路有两个参数的变化会引起输出电压U0发生变化，一是负载RL变化，二是输入电压Ui变化。设计时，不管哪一种变化都可以通过改变串联电阻RS的大小，使电压降U1发生变化。改变两个串联电阻的分压比，可以保证负载电阻RL上的输出电压始终为设定值，实现输出电压的稳定。由于调整电阻RS与负载电阻RL串联，故叫串联式稳压电路，从本质上说串联式稳压电路是靠调整电阻上电压降的大小，改变电路的分压比来实现输出电压的稳定。

稳压电路具体调节过程有以下两种情况。一是负载发生改变，输入输出电压保持恒定不变，负载所需的输出电流IL减小，则相当于负载等效电阻增大，具体稳压过程为：RL↑→U0↑→调节Rs↑→IL↓→U0↓输出电压回归恒定，反之也成立。二是输入电压上升，导致输出电压也随之升高时，具体稳压过程为：Ui↑→IL↑→U0↑→调节Rs↑→IL↓→U0↓输出电压回归恒定，反之也成立。

由此可见串联式稳压电路主要是通过调节可调电阻回路的分压作用实现对输出电压的调整，确保输出电压的恒定。伴随调节过程电源输出电流随负载变化而变化，整体上比较节能。

1.2 并联稳压电路

图2为并联稳压电路的原始模型，电路由降压电阻R1、调整电阻RS与负载电阻RL组成，调整电阻RS与负载电阻RL并联，称为并联式稳压电路。与串联式最大的不同是多了一个降压电阻R1，且该电阻是一个固定电阻，阻值不能随负载变化而发生改变，与担任电路调节作用的调整电阻RS并联。

输出负载电压仍为：

根据电路电流定律有：

该电路中由于降压电阻阻值不能调节，当输入电压或负载电阻等参数发生变化时，只能通过调整Rs阻值大小来实现输出电压保持不变。即电路参数变化时，调整电阻Rs阻值大小引起调整电阻回路的电流大小变化，使得输出电压保持恒定。

并联稳压电路具体调节过程同样有以下两种。一是当负载发生改变时，输入电压保持恒定不变负载所需的输出电流IL减小，则相当于负载等效电阻增大：RL↑→U0↑→调节Rs↓→IS↑→IL↓→U0↓从而保持了电压的恒定，反之也成立。二是当输入电压上升导致输出电压也随之升高时Ui↑→IL↑→U0↑→调节Rs↓→IS↑→IL↓→U0↓从而保持了电压的恒定，反之也成立。

由此可见，并联式稳压电路通过调节可调电阻回路的分流作用实现对输出电压的调整，确保输出电压的恒定。调整过程电路总电流并没有发生变化，电路的总能耗也没有改变，故能耗较大，效率很低，常规电路中较少采用。

2 电容降压式稳压电路

图3 电容降压稳压电源原理图

3 电路计算详解

电容降压式稳压电路的计算虽然并不复杂，但很多设计人员往往没有掌握电路计算的核心，因此常常发生错误。串联电容降压的理论基础是RC串联交流电路的分析计算，如图3所示。

根据交流电路基尔霍夫定律：

因为电容器制造技术的原因，目前高耐压、无极性电容器的容量通常不会太大，故所呈现的交流阻抗较大，电路只适合应用于小电流场合，此类场合下负载电阻R的等效电阻较小，电容容抗远大于负载阻抗，负载阻抗可以忽略不计[3]。流过电容的电流Ic主要由电容容抗本身决定，并保持基本不变。下面以一个设计案例来详解其计算过程。

3.1 设计计算所需的原始数据

稳压电源的设计指标通常取自计算任务书，实际设计过程依据电源所服务的电路对电源的要求来确定。

（1）输入交流电压

最大输入电压UMAX：电路工作时从电网输入的最大电压值；

最低输入电压UMIN：电路工作时从电网输入的最低电压值；

交流电源频率f：电网工作频率，我国法定工频为50 Hz。

（2）稳定电源输出参数

输出稳定电压UO：电路要求的输出额定电压值；

最大输出电流IMAX：电源电路工作能达到的最大输出电流；

最小输出电流IMIN：电源电路工作时所需在最小电流，该电流值可以为零，但此时电路的调节回路要求会增大，提高了电路成本。

3.2 设计案例计算过程详解

设计案例：某电源原始设计参数为输入工频电压为220 V±10%，输出直流电压为12 V，输出最大电流I0MAX=50 mA，输出最小电流I0MIN=0（空载）。

（1）降压电容器工作电流IC的确定

电路的总电流为流过降压电容的电流Ic，后续分解为输出电流I0与调节回路电流IS；当输出电流达到最大值I0MAX时，调节回路的电流为最小值ISMIN，反之当输出电流为最小值I0MIN时，调节回路电流达到最大值ISMAX，为了保证调压效果调节回路最小电流值ISMIN应保证调整回路始终工作在放大状态，预估值可取最大输出电流的10%～30%，且不小于5 mA较为合适[4]。

本例取ISMIN=10 mA，取值主要考虑所用调整管工作在放大状态时的最小工作电流与管子最大集电极允许电流。

取降压电容电流：IC=ISMIN+IMAX=10+50=60 mA

（2）计算降压电容容抗XC

电容容抗应满足当输入电压为最低值UMIN时，通过电容的电流IC满足电源输出最大电流I0MAX的要求；

4 工程电路详细设计

图4为本案例设计的工程电路，图中电容C0为降压电容，当电流通过时产生电压降在电路中起到串联降压作用，与之并联的电阻R0为电容C0提供一条释放回路，当电源关闭时，C0上的电荷通过R0泄放，避免接触到电源输入端因C0所带电荷而引起误伤[5]。

图4 电容降压稳压电源原理图

V1～V4构成桥式整流电路将交流电整流成脉动直流电，电路为并联式稳压电路，电容C0中始终有电流通过起到降压作用，整流管只承受输出低压部分的反向电压，这对整流管的反向耐压要求很低。本例只需反向耐压大于12 V就足够了，正向整流电流大于等于IC，综合考虑器件的来源与成本，选用最常用的整流二极管1N4001。

VD为稳压二极管提供调整通路，其稳压值UZ即为电路变换后的稳定输出电压U0，最大稳压电流大于降压电容通过的最大电流即可，选择1N4742/A稳压管，额定稳压值12 V最大稳压电流75 mA符合电路要求。

当输出电流较大难以找到大功率稳压管时，可以运用三极管代替大功率稳压管实现稳压，图5就是运用三极管作为调整元件的电容降压式稳压电路。

图5 电容降压式稳压电路

调整电路由三极管V1、V2组成复合管担任调整任务，由于三极管功率较大所以可以通过较大的电流。V1基极电位VB1由二只三极管的发射结电压串联组成约为1.4 V左右，R1、R2组成分压电路，分压后R2两端电压作为基准采样电压，当电压上升时，三极管的基流增加导致集电极电流上升，使得电容电抗压降上升，调整输出电压回到稳定值，其它元件工作原理与图3相同。

5 应用局限

电容降压式稳压电路的应用局限主要有以下几方面。一是因为电容器无法实现电气隔离作用，故此类电源变换器没有电气隔离，只能用于热底板电气线路，实际应用中要特别注意电气安全，电容应接在相线上。二是电容器制造工艺问题，大容量电容器体积大、价格高，故只能用于小电流场合，建议输出电流不超过100 mA的场合应用为佳。三是在电网功率因素呈感性且较低的企业可以结合功率因素提升应用可以大大降低企业成本。

6 结 论

通过上述分析，明确了电容降压式稳压电路实际上是一种并联式稳压电路，由于电容容抗对交流电并不耗能，故该电路能耗低，在特小功率电源变换中有较好的应用市场。笔者在实际工作过程应用本文介绍的方法设计了许多电源供电电路，经过实际应用证明其具有性能可靠、成本低以及体积小等优点。