如何实现大电流无变压器电源的设计

构建没有笨重、昂贵和笨重变压器的电源是一项电子挑战，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一个大功率系统。

没有变压器的电源使用容抗理论来降低输入的交流电源电压。应该记住，事实上，电网提供 230 VAC（或 110 VAC，取决于居住国家/地区）的交流电压，并且输出电压必须是连续的并尽可能保持平稳。

对于低功率应用，没有任何问题，但对于大电流，电源的效率可能会降低。基本概念侧重于使用高压电容器将电源电压降低到所需水平。电路输出端的可用电流与电容器的电抗（当然，还与它们的容量）成正比。因此，可以简单地通过并联多个电容器或使用具有非常大容量的电容器来增加该电流。但是，存在相当高的初始峰值电流的风险，这可能会导致严重的问题。

原理电气图

图1所示为无变压器电源的原理图，将电压从230 VAC降低到12 VDC，理论输出为1 A。 该原型仅用于对电源进行实验，不能用于敏感系统，例如医疗或安全设备。事实上，入口和出口之间没有隔离。但是，对于一般应用，它的功能是有保证的。使用的电子元件如下：

C1：33，000-µF 极化电解电容器，25 VL

C2：无极性聚酯电容器 ≥ 400 V，10 µF

C3：无极性聚酯电容器 ≥ 400 V，10 µF

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 电阻器，5W

R2：10-Ω 电阻器；是负载，不小于10Ω

R3：470kΩ 电阻器，1W

R4：1Ω 电阻器，5W

R5：200mA 保险丝

每个电子元件都有其特定的功能。该电路按照非常具体的机制工作：

230-VRMS 交流电通过由 C2 和 C3 构成的限幅器。R3具有在电路未通电时对电容器放电的功能。

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，将负半波转换为正半波。二极管数量众多，可以分配功率、加热更少并保持在组件制造商施加的限制范围内。

R1 和 R4 稍微限制电流，以防在交流信号过零期间电容器的阻抗非常低。

200 mA R5 保险丝保护齐纳二极管免受过电流影响。这可能发生在负载失败的情况下。该电路假定 10 Ω 负载始终存在。

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正常运行期间的动态运行情况。10-Ω 负载必须从一开始就连接到系统。电源在大约 1 秒的短暂瞬变后启动，在此期间高容量电解电容器 C1 充电。输出电压和负载电压稳定在 12V，如图 2 所示。

图 2：电源运行期间负载上的 12V 电压

从这一刻起，负载 （10 Ω） 上流过约 1.2 A 的电流，吸收为 14.3 W。现在让我们检查最关键组件的电压、电流和功率值。聚酯电容器 C2 和 C3 上的电压相当高，约为 320 V 零峰值，如图 3 中的波形图所示。因此，不能使用 200 VL 的非极化电容器，但必须使用此值至少 400 VL，如果 630 VL 甚至更好。该电容组的总电容为 20 µF。

图 3：限制输入的聚酯电容器上的电压

相反，图 4 中的图表显示了在每个二极管 1N4007 上传输的电流。其数据表指出，即使脉动电流更大，该组件可承受的最大电流也等于 1 A。在任何情况下，它都在最大限制内，正是因为使用了大量并联的半导体元件。

图 4：流过每个二极管的电流包含在组件支持的最大限制内。

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，该组件保持冷态并正常工作，没有任何问题。安全电阻 R1 和 R4 均为 1 Ω，通过几乎为 2 A 零峰值的正弦电流穿过，如图 5 所示。该电流的 RMS 值约为 1.4 A，因此这些组件的耗散最小值必须约为 3 W。此电流（以及这些电阻器上的相对电压）的波形不是完美的正弦曲线，但由于二极管的电压降，在通过零时存在一种抵消——实际上，一种交叉扭曲。

图 5：流经安全电阻 R1 和 R4 的电流

输出纹波信号

从图 6 中可以看出，纹波是完全可以接受的。其峰峰值约为 92 mV，对应于 0.75%，对于不太复杂的负载类型来说，这是一个超出可接受的值。当然，纹波频率等于 100 Hz。

图 6：输出信号受最小纹波信号的影响。

小心切断电路

当电路关闭时，电容器 C2 和 C3 可能会保持充电很长时间，因此必须格外小心。因此，建议将 470kΩ 电阻器与这些高压电容器并联，如接线图所示。在正常工作条件下，它不会影响电路的正常工作，因为其功耗约为 110 mW。然而，在没有电的情况下，该电阻器在大约 50 秒内将电容器完全放电，但 20 秒后，电路不再危险（见图 7 中的图表）。

图 7：当电路关闭时，电阻器 R3 与电容器 C2 和 C3 并联，使它们放电。

效率

电路的效率不是有利于这种电源的要点之一。过多散热的存在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%。我们当然不能谈论最大效率。

这个电源的实现不方便

鉴于所有潜在问题，我们可以说使用传统或开关型变压器实现电源比在这些页面上设置电路更方便（参见图 8 中的实现示例）。消极方面有很多，可以总结如下：

大容量、高电压聚酯电容器的成本与一个小型 1A 变压器的成本一样高。此外，电解电容器的费用很高。

电路未与输入网络隔离；因此，它具有潜在危险。此外，部件的分离或破损可能导致整个设备的毁坏。

效率不是很高，不方便屈服于这么多妥协。

最大输出电流约为 1 A。我们距离需要 20 A 或 30 A 才能工作的电阻或电感负载还有很长的路要走。

图 8：不带变压器的电源的一种可能的实际实施方式

结论

无变压器电源电路有很多缺点，不能用于精密和关键的用途。这些电路无法提供高电流，并且输出未与高压输入隔离。除了电压峰值的通过之外，由于 50 Hz 或 60 Hz 的交流电，电容器可能会产生大电流，对整个电路有潜在危险。无论如何，了解这种电源背后的理论总是有用的，即使在实践中，选择这种解决方案并不方便。

审核编辑：郭婷