如何在不使用变压器的情况下设计大功率系统

在没有笨重，昂贵且笨重的变压器的情况下，电源的构造是电子学上的挑战，并为有趣的解决方案提供了空间。让我们看看如何在不使用变压器的情况下设计大功率系统。

不带变压器的电源使用电容电抗理论来降低输入的交流市电电压。实际上，应该记住，电网提供230 VAC（或110 VAC，取决于居住国家/地区）的交流电压，并且输出电压必须连续且尽可能水平。

对于低功率应用而言，没有任何问题，但是对于大电流而言，电源的效率可能会降低。基本概念集中在使用高压电容器将电源电压降低到所需水平上。电路输出端可用的电流与电容器的电抗成正比（当然也与电容器的容量成正比）。因此，可以简单地通过并联连接多个电容器或使用容量非常大的电容器来增加该电流。但是，存在初始峰值电流相当高的风险，这可能会导致严重的问题。

原理图

图1显示了无变压器电源的示意图，该电源将电压从230 VAC降低到12 VDC，理论输出为1A。该原型仅用于在电源上进行实验，不能用于敏感系统，例如医疗或安全设备。实际上，入口与出口之间没有隔离。但是，对于一般应用程序，其功能得到了保证。所使用的电子组件如下：

C1：33,000 ?F极化电解电容器，25 VL

C2：≥400 V，10 ?F的非极化聚酯电容器

C3：≥400 V，10 ?F的非极化聚酯电容器

D1：二极管1N4007

D2：12V，3W齐纳二极管

D3：二极管1N4007

D4：二极管1N4007

D5：二极管1N4007

D6：二极管1N4007

D7：二极管1N4007

D8：二极管1N4007

D9：二极管1N4007

D10：二极管1N4007

D11：二极管1N4007

D12：二极管1N4007

D13：二极管1N4007

R1：1Ω电阻，5 W

R2：10Ω电阻;它是负载，不小于10Ω

R3：470kΩ电阻，1 W

R4：1Ω电阻，5 W

R5：200mA保险丝

每个电子组件都有其自己的特定功能。该电路遵循非常具体的机制工作：

230 VRMS交流电通过C2和C3形成的限制器。R3具有在电路未通电时使电容器放电的功能。

1N4007二极管超级电桥（D10，D11，D6，D7，D1，D4，D3，D5，D9，D8，D12和D13）对电压进行整流，将负半波转换为正波。二极管数量众多，可以分流功率，减少热量并保持在组件制造商规定的范围内。

如果在交流信号过零时电容器的阻抗非常低，R1和R4会稍微限制电流。

200 mA R5保险丝可保护齐纳二极管免受过量电流的影响。万一加载失败，可能会发生这种情况。该电路假定恒定存在10Ω负载。

图1：不带变压器的12V和1A电源接线图

电流，电压和功率分析

现在让我们检查电路在其正常操作期间的动态操作。必须从一开始就将10Ω负载连接到系统。在大约1秒的短暂瞬变（高容量电解电容器C1充电的时间）后激活电源。如图2所示，输出端以及负载上的电压稳定在12V。

图2：电源工作期间负载上存在的12V电压

从这一刻起，负载（10Ω）承受的电流约为1.2 A，吸收电流为14.3W。现在，让我们检查最关键组件上的电压，电流和功率值。聚酯电容器C2和C3上的电压相当高，零峰值约为320 V，如图3的波形图所示。因此，不能使用200 VL的非极化电容器，但是必须使用该值。至少为400 VL，如果为630 VL则更好。该电容组的总电容为20 ?F。

图3：输入限制聚酯电容器上的电压

取而代之的是，图4中的曲线图显示了在每个单个二极管1N4007上流过的电流。它的数据表指出，即使脉冲电流更大，该组件可以承受的最大电流也等于1A。在任何情况下，它都在最大限制之内，这恰恰是因为使用了大量并联连接的半导体组件。

图4：流过每个二极管的电流都包含在该组件支持的最大限值之内。

齐纳二极管上的峰值电流为150 mA，平均值为34 mA，RMS为63 mA。因此，在出口处插入正确的负载后，该组件将保持冷状态，并且可以正常工作而不会出现任何问题。如图1所示，安全电阻R1和R4都为1Ω，几乎与2 A零峰值的正弦电流相交，该电流的RMS值约为1.4 A，因此这些组件的耗散最小必须大约为3W。该电流（以及这些电阻上的相对电压）的波形不是完美的正弦波，但由于二极管的压降，在零通过时会有一种抵消作用-实际上，一种交集失真。

图5：流过安全电阻R1和R4的电流

输出端的纹波信号

如图6所示，纹波是完全可以接受的。它的峰峰值约为92 mV，相当于0.75％，这对于不太复杂的负载类型来说是一个超过可接受的值。纹波频率当然等于100 Hz。

图6：输出信号受最小纹波信号影响。

当心切断电路

当电路关闭时，电容器C2和C3可能会保持很长时间的充电，因此，必须格外小心。因此，建议将470kΩ电阻与这些高压电容器并联，如接线图所示。在正常工作条件下，它的功耗约为110 mW，因此不会影响电路的正常工作。但是，在没有电的情况下，该电阻器会在大约50秒内使电容器完全放电，但是20秒后，电路将不再具有危险性（请参见图7中的图表）。

图7：当电路关闭时，与电容器C2和C3并联的电阻R3使它们放电。

效率

电路效率并不是支持这种电源的要点之一。过多的散热会大大降低最终产量。效率的简化计算提供了输出功率和输入功率之间的关系：

从中

最终效率为69％。我们当然不能谈最大效率。

这种电源的实现不方便

考虑到所有潜在的问题，我们可以说用传统或开关式变压器实现电源比在这些页面上设置电路更方便（请参见图8中的实现示例）。负面影响很多，可以归纳如下：

高容量，高压聚酯电容器的成本与小型1A变压器的成本相当，甚至更高。此外，电解电容器的花费很大。

电路未与输入网络隔离；因此，这有潜在的危险。此外，部件的分离或破损可能导致整个装置的损坏。

效率不是很高，因此不方便进行这么多的妥协。

最大输出电流约为1A。对于需要20 A或30 A的电阻性或电感性负载，我们还有很长的路要走。

图8：不带变压器的电源的实际可行实现

结论

无变压器电源电路有许多缺点，不能用于精密和关键的目的。这些电路无法提供大电流，并且输出未与高压输入隔离。除了通过50 Hz或60 Hz的交流电以外，还会通过电压峰值，还会产生大的电流消耗，电容器可能会对整个电路造成危险。无论如何，了解作为这种电源基础的理论总是有用的，即使在实践中选择这种解决方案也不方便。

编辑：hfy