在沒(méi)有笨重，昂貴且笨重的變壓器的情況下，電源的構(gòu)造是電子學(xué)上的挑戰(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)大功率系統(tǒng)。

不帶變壓器的電源使用電容電抗理論來(lái)降低輸入的交流市電電壓。實(shí)際上，應(yīng)該記住，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，并且輸出電壓必須連續(xù)且盡可能水平。

對(duì)于低功率應(yīng)用而言，沒(méi)有任何問(wèn)題，但是對(duì)于大電流而言，電源的效率可能會(huì)降低。基本概念集中在使用高壓電容器將電源電壓降低到所需水平上。電路輸出端可用的電流與電容器的電抗成正比（當(dāng)然也與電容器的容量成正比）。因此，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)并聯(lián)連接多個(gè)電容器或使用容量非常大的電容器來(lái)增加該電流。但是，存在初始峰值電流相當(dāng)高的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。

原理圖

圖1顯示了無(wú)變壓器電源的示意圖，該電源將電壓從230 VAC降低到12 VDC，理論輸出為1A。該原型僅用于在電源上進(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。實(shí)際上，入口與出口之間沒(méi)有隔離。但是，對(duì)于一般應(yīng)用程序，其功能得到了保證。所使用的電子組件如下：

C1：33,000 μF極化電解電容器，25 VL

C2：≥400 V，10 μF的非極化聚酯電容器

C3：≥400 V，10 μF的非極化聚酯電容器

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，5 W

R2：10Ω電阻;它是負(fù)載，不小于10Ω

R3：470kΩ電阻，1 W

R4：1Ω電阻，5 W

R5：200mA保險(xiǎn)絲

每個(gè)電子組件都有其自己的特定功能。該電路遵循非常具體的機(jī)制工作：

230 VRMS交流電通過(guò)C2和C3形成的限制器。R3具有在電路未通電時(shí)使電容器放電的功能。

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)換為正波。二極管數(shù)量眾多，可以分流功率，減少熱量并保持在組件制造商規(guī)定的范圍內(nèi)。

如果在交流信號(hào)過(guò)零時(shí)電容器的阻抗非常低，R1和R4會(huì)稍微限制電流。

200 mA R5保險(xiǎn)絲可保護(hù)齊納二極管免受過(guò)量電流的影響。萬(wàn)一加載失敗，可能會(huì)發(fā)生這種情況。該電路假定恒定存在10Ω負(fù)載。

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其正常操作期間的動(dòng)態(tài)操作。必須從一開始就將10Ω負(fù)載連接到系統(tǒng)。在大約1秒的短暫瞬變（高容量電解電容器C1充電的時(shí)間）后激活電源。如圖2所示，輸出端以及負(fù)載上的電壓穩(wěn)定在12V。

圖2：電源工作期間負(fù)載上存在的12V電壓

從這一刻起，負(fù)載（10Ω）承受的電流約為1.2 A，吸收電流為14.3W。現(xiàn)在，讓我們檢查最關(guān)鍵組件上的電壓，電流和功率值。聚酯電容器C2和C3上的電壓相當(dāng)高，零峰值約為320 V，如圖3的波形圖所示。因此，不能使用200 VL的非極化電容器，但是必須使用該值。至少為400 VL，如果為630 VL則更好。該電容組的總電容為20 μF。

圖3：輸入限制聚酯電容器上的電壓

取而代之的是，圖4中的曲線圖顯示了在每個(gè)單個(gè)二極管1N4007上流過(guò)的電流。它的數(shù)據(jù)表指出，即使脈沖電流更大，該組件可以承受的最大電流也等于1A。在任何情況下，它都在最大限制之內(nèi)，這恰恰是因?yàn)槭褂昧舜罅坎⒙?lián)連接的半導(dǎo)體組件。

圖4：流過(guò)每個(gè)二極管的電流都包含在該組件支持的最大限值之內(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，該組件將保持冷狀態(tài)，并且可以正常工作而不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。如圖1所示，安全電阻R1和R4都為1Ω，幾乎與2 A零峰值的正弦電流相交，該電流的RMS值約為1.4 A，因此這些組件的耗散最小必須大約為3W。該電流（以及這些電阻上的相對(duì)電壓）的波形不是完美的正弦波，但由于二極管的壓降，在零通過(guò)時(shí)會(huì)有一種抵消作用-實(shí)際上，一種交集失真。

圖5：流過(guò)安全電阻R1和R4的電流

輸出端的紋波信號(hào)

如圖6所示，紋波是完全可以接受的。它的峰峰值約為92 mV，相當(dāng)于0.75％，這對(duì)于不太復(fù)雜的負(fù)載類型來(lái)說(shuō)是一個(gè)超過(guò)可接受的值。紋波頻率當(dāng)然等于100 Hz。

圖6：輸出信號(hào)受最小紋波信號(hào)影響。

當(dāng)心切斷電路

當(dāng)電路關(guān)閉時(shí)，電容器C2和C3可能會(huì)保持很長(zhǎng)時(shí)間的充電，因此，必須格外小心。因此，建議將470kΩ電阻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，它的功耗約為110 mW，因此不會(huì)影響電路的正常工作。但是，在沒(méi)有電的情況下，該電阻器會(huì)在大約50秒內(nèi)使電容器完全放電，但是20秒后，電路將不再具有危險(xiǎn)性（請(qǐng)參見圖7中的圖表）。

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

效率

電路效率并不是支持這種電源的要點(diǎn)之一。過(guò)多的散熱會(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)然不能談最大效率。

這種電源的實(shí)現(xiàn)不方便

考慮到所有潛在的問(wèn)題，我們可以說(shuō)用傳統(tǒng)或開關(guān)式變壓器實(shí)現(xiàn)電源比在這些頁(yè)面上設(shè)置電路更方便（請(qǐng)參見圖8中的實(shí)現(xiàn)示例）。負(fù)面影響很多，可以歸納如下：

高容量，高壓聚酯電容器的成本與小型1A變壓器的成本相當(dāng)，甚至更高。此外，電解電容器的花費(fèi)很大。

電路未與輸入網(wǎng)絡(luò)隔離；因此，這有潛在的危險(xiǎn)。此外，部件的分離或破損可能導(dǎo)致整個(gè)裝置的損壞。

效率不是很高，因此不方便進(jìn)行這么多的妥協(xié)。

最大輸出電流約為1A。對(duì)于需要20 A或30 A的電阻性或電感性負(fù)載，我們還有很長(zhǎng)的路要走。

圖8：不帶變壓器的電源的實(shí)際可行實(shí)現(xiàn)

結(jié)論

無(wú)變壓器電源電路有許多缺點(diǎn)，不能用于精密和關(guān)鍵的目的。這些電路無(wú)法提供大電流，并且輸出未與高壓輸入隔離。除了通過(guò)50 Hz或60 Hz的交流電以外，還會(huì)通過(guò)電壓峰值，還會(huì)產(chǎn)生大的電流消耗，電容器可能會(huì)對(duì)整個(gè)電路造成危險(xiǎn)。無(wú)論如何，了解作為這種電源基礎(chǔ)的理論總是有用的，即使在實(shí)踐中選擇這種解決方案也不方便。

編輯：hfy