構(gòu)建沒有笨重、昂貴和笨重變壓器的電源是一項(xiàng)電子挑戰(zhàn)，并為有趣的解決方案提供了空間。讓我們看看如何在不使用變壓器的情況下設(shè)計(jì)一個(gè)大功率系統(tǒng)。

沒有變壓器的電源使用容抗理論來(lái)降低輸入的交流電源電壓。應(yīng)該記住，事實(shí)上，電網(wǎng)提供 230 VAC（或 110 VAC，取決于居住國(guó)家/地區(qū)）的交流電壓，并且輸出電壓必須是連續(xù)的并盡可能保持平穩(wěn)。

對(duì)于低功率應(yīng)用，沒有任何問(wèn)題，但對(duì)于大電流，電源的效率可能會(huì)降低。基本概念側(cè)重于使用高壓電容器將電源電壓降低到所需水平。電路輸出端的可用電流與電容器的電抗（當(dāng)然，還與它們的容量）成正比。因此，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)并聯(lián)多個(gè)電容器或使用具有非常大容量的電容器來(lái)增加該電流。但是，存在相當(dāng)高的初始峰值電流的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。

原理電氣圖

圖1所示為無(wú)變壓器電源的原理圖，將電壓從230 VAC降低到12 VDC，理論輸出為1 A。 該原型僅用于對(duì)電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能用于敏感系統(tǒng)，例如醫(yī)療或安全設(shè)備。事實(shí)上，入口和出口之間沒有隔離。但是，對(duì)于一般應(yīng)用，它的功能是有保證的。使用的電子元件如下：

C1：33，000-μF 極化電解電容器，25 VL

C2：無(wú)極性聚酯電容器 ≥ 400 V，10 μF

C3：無(wú)極性聚酯電容器 ≥ 400 V，10 μF

D1：二極管 1N4007

D2：12V、3W 齊納二極管

D3：二極管 1N4007

D4：二極管 1N4007

D5：二極管 1N4007

D6：二極管 1N4007

D7：二極管 1N4007

D8：二極管 1N4007

D9：二極管 1N4007

D10：二極管 1N4007

D11：二極管 1N4007

D12：二極管 1N4007

D13：二極管 1N4007

R1：1Ω 電阻器，5W

R2：10-Ω 電阻器；是負(fù)載，不小于10Ω

R3：470kΩ 電阻器，1W

R4：1Ω 電阻器，5W

R5：200mA 保險(xiǎn)絲

每個(gè)電子元件都有其特定的功能。該電路按照非常具體的機(jī)制工作：

230-VRMS 交流電通過(guò)由 C2 和 C3 構(gòu)成的限幅器。R3具有在電路未通電時(shí)對(duì)電容器放電的功能。

1N4007 二極管超級(jí)電橋（D10、D11、D6、D7、D1、D4、D3、D5、D9、D8、D12 和 D13）對(duì)電壓進(jìn)行整流，將負(fù)半波轉(zhuǎn)換為正半波。二極管數(shù)量眾多，可以分配功率、加熱更少并保持在組件制造商施加的限制范圍內(nèi)。

R1 和 R4 稍微限制電流，以防在交流信號(hào)過(guò)零期間電容器的阻抗非常低。

200 mA R5 保險(xiǎn)絲保護(hù)齊納二極管免受過(guò)電流影響。這可能發(fā)生在負(fù)載失敗的情況下。該電路假定 10 Ω 負(fù)載始終存在。

圖 1：不帶變壓器的 12V 和 1A 電源接線圖

電流、電壓和功率分析

現(xiàn)在讓我們檢查電路在正常運(yùn)行期間的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況。10-Ω 負(fù)載必須從一開始就連接到系統(tǒng)。電源在大約 1 秒的短暫瞬變后啟動(dòng)，在此期間高容量電解電容器 C1 充電。輸出電壓和負(fù)載電壓穩(wěn)定在 12V，如圖 2 所示。

圖 2：電源運(yùn)行期間負(fù)載上的 12V 電壓

從這一刻起，負(fù)載 （10 Ω） 上流過(guò)約 1.2 A 的電流，吸收為 14.3 W。現(xiàn)在讓我們檢查最關(guān)鍵組件的電壓、電流和功率值。聚酯電容器 C2 和 C3 上的電壓相當(dāng)高，約為 320 V 零峰值，如圖 3 中的波形圖所示。因此，不能使用 200 VL 的非極化電容器，但必須使用此值至少 400 VL，如果 630 VL 甚至更好。該電容組的總電容為 20 μF。

圖 3：限制輸入的聚酯電容器上的電壓

相反，圖 4 中的圖表顯示了在每個(gè)二極管 1N4007 上傳輸?shù)碾娏鳌Ｆ鋽?shù)據(jù)表指出，即使脈動(dòng)電流更大，該組件可承受的最大電流也等于 1 A。在任何情況下，它都在最大限制內(nèi)，正是因?yàn)槭褂昧舜罅坎⒙?lián)的半導(dǎo)體元件。

圖 4：流過(guò)每個(gè)二極管的電流包含在組件支持的最大限制內(nèi)。

齊納二極管上的峰值電流為 150 mA，平均值為 34 mA，RMS 為 63 mA。因此，在出口處插入正確的負(fù)載后，該組件保持冷態(tài)并正常工作，沒有任何問(wèn)題。安全電阻 R1 和 R4 均為 1 Ω，通過(guò)幾乎為 2 A 零峰值的正弦電流穿過(guò)，如圖 5 所示。該電流的 RMS 值約為 1.4 A，因此這些組件的耗散最小值必須約為 3 W。此電流（以及這些電阻器上的相對(duì)電壓）的波形不是完美的正弦曲線，但由于二極管的電壓降，在通過(guò)零時(shí)存在一種抵消——實(shí)際上，一種交叉扭曲。

圖 5：流經(jīng)安全電阻 R1 和 R4 的電流

輸出紋波信號(hào)

從圖 6 中可以看出，紋波是完全可以接受的。其峰峰值約為 92 mV，對(duì)應(yīng)于 0.75%，對(duì)于不太復(fù)雜的負(fù)載類型來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)超出可接受的值。當(dāng)然，紋波頻率等于 100 Hz。

圖 6：輸出信號(hào)受最小紋波信號(hào)的影響。

小心切斷電路

當(dāng)電路關(guān)閉時(shí)，電容器 C2 和 C3 可能會(huì)保持充電很長(zhǎng)時(shí)間，因此必須格外小心。因此，建議將 470kΩ 電阻器與這些高壓電容器并聯(lián)，如接線圖所示。在正常工作條件下，它不會(huì)影響電路的正常工作，因?yàn)槠涔募s為 110 mW。然而，在沒有電的情況下，該電阻器在大約 50 秒內(nèi)將電容器完全放電，但 20 秒后，電路不再危險(xiǎn)（見圖 7 中的圖表）。

圖 7：當(dāng)電路關(guān)閉時(shí)，電阻器 R3 與電容器 C2 和 C3 并聯(lián)，使它們放電。

效率

電路的效率不是有利于這種電源的要點(diǎn)之一。過(guò)多散熱的存在會(huì)大大降低最終產(chǎn)量。效率的簡(jiǎn)化計(jì)算提供了輸出功率和輸入功率之間的關(guān)系：

從中

最終效率為 69%。我們當(dāng)然不能談?wù)撟畲笮省?/p>

這個(gè)電源的實(shí)現(xiàn)不方便

鑒于所有潛在問(wèn)題，我們可以說(shuō)使用傳統(tǒng)或開關(guān)型變壓器實(shí)現(xiàn)電源比在這些頁(yè)面上設(shè)置電路更方便（參見圖 8 中的實(shí)現(xiàn)示例）。消極方面有很多，可以總結(jié)如下：

大容量、高電壓聚酯電容器的成本與一個(gè)小型 1A 變壓器的成本一樣高。此外，電解電容器的費(fèi)用很高。

電路未與輸入網(wǎng)絡(luò)隔離；因此，它具有潛在危險(xiǎn)。此外，部件的分離或破損可能導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的毀壞。

效率不是很高，不方便屈服于這么多妥協(xié)。

最大輸出電流約為 1 A。我們距離需要 20 A 或 30 A 才能工作的電阻或電感負(fù)載還有很長(zhǎng)的路要走。

圖 8：不帶變壓器的電源的一種可能的實(shí)際實(shí)施方式

結(jié)論

無(wú)變壓器電源電路有很多缺點(diǎn)，不能用于精密和關(guān)鍵的用途。這些電路無(wú)法提供高電流，并且輸出未與高壓輸入隔離。除了電壓峰值的通過(guò)之外，由于 50 Hz 或 60 Hz 的交流電，電容器可能會(huì)產(chǎn)生大電流，對(duì)整個(gè)電路有潛在危險(xiǎn)。無(wú)論如何，了解這種電源背后的理論總是有用的，即使在實(shí)踐中，選擇這種解決方案并不方便。

審核編輯：郭婷