不帶變壓器的電源使用容抗理論來降低輸入交流電網電壓。實際上，應記住，電網提供230VAC（或110VAC，取決于居住國家）的交流電壓，而輸出電壓必須連續且盡可能平整。

對于小功率應用不會有任何問題，但是對于大電流情況，電源的效率可能會降低。其基本理念主要是使用高壓電容器將電網電壓降低到所需水平。電路輸出端的電流與電容器的電抗成正比（當然也與電容器的容量成正比）。因此，可以簡單地通過并聯連接多個電容器或使用容量非常大的電容器來增加輸出電流。但是，這樣做有可能產生非常大的初始峰值電流，進而導致嚴重問題。

原理圖

圖1給出了無變壓器電源的示意圖，該電源將電壓從230VAC降低到12VDC，理論輸出電流為1A。這個原型僅用于對電源進行實驗，不能用于敏感系統，例如醫療或安全設備。實際上，其輸入和輸出之間沒有隔離。但是，對于一般的應用，其功能可以保證。所使用的電子元器件如下：

C1：33,000μF、25VL極化電解電容器

C2：≥400V、10μF的非極化聚酯電容器

C3：≥400V、10μF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、5W電阻

R2：10Ω電阻——負載電阻，不小于10Ω

R3：470kΩ、1W電阻

R4：1Ω、5W電阻

R5：200mA熔斷器

每個電子元器件都有其特定的功能。該電路的工作機制非常明確：

230VRMS交流電通過C2和C3所組成的限幅器。R3可以在電路未上電時對電容器放電。

1N4007二極管超級電橋（D10、D11、D6、D7、D1、D4、D3、D5、D9、D8、D12和D13）對電壓進行整流，將負半波轉換為正半波。這里的二極管數量非常多，這樣可以分散功率、減少熱量，從而使其保持在元器件制造商所規定的范圍內。

R1和R4用于稍微限制電流，以防在交流信號過零期間電容器的阻抗非常低。

200mA R5熔斷器用于保護齊納二極管免受過大電流的影響。如果負載發生故障，則有可能遇到這種情況。該電路假定恒定存在10Ω負載。

圖1：無變壓器的12V、1A電源接線圖

電流、電壓和功率分析

現在來檢查一下電路在其正常工作期間的動態工作情況。必須從一開始就將10Ω負載連接到系統。在經過大約1s（大容量電解電容器C1充電的時間）的短時瞬變之后，電源開始工作。如圖2所示，這時輸出端及負載上的電壓穩定在12V。

圖2：電源工作期間負載上的電壓為12V

從這一刻起，負載（10Ω）流過的電流約為1.2A，也即吸收功率為14.3W。現在來檢查一下最關鍵元器件的電壓、電流和功率值。聚酯電容器C2和C3上的電壓相當高，峰值電壓約為320V，如圖3的波形圖所示。因此，不能使用200VL的非極化電容器，而必須將這個值提高到至少400VL，如果是630VL則更好。該電容組的總電容為20μF。

圖3：輸入限幅聚酯電容器上的電壓

相反，圖4所示的曲線圖顯示了每個二極管1N4007上流過的電流。1N4007的數據手冊指出，即使脈沖電流更大，但該器件所能承受的最大電流等于1A。在任何情況下，它都在最大限值以內，這恰恰是因為并聯使用了大量半導體器件。

圖4：流過每個二極管的電流都控制在該器件所支持的最大限值以內

齊納二極管上的峰值電流為150mA，平均值為34mA，有效值（RMS）為63mA。因此，在輸出處插入正確的負載后，該器件保持在低溫狀態，可以正常工作而不會有任何問題。如圖5所示，流過安全電阻R1和R4（都為1Ω）的電流近似為2A峰值的正弦波。其RMS值約為1.4A，因此這兩個器件的最小功耗大約為3W。該電流的波形（以及這兩個電阻上的相對電壓波形）不是完美的正弦波，而是由于二極管的壓降，在過零點處會產生抵消——實際上是種交越失真。

圖5：流過安全電阻R1和R4的電流

輸出處的紋波信號

如圖6所示，紋波在可接受的水平。其峰-峰值約為92mV，對應于0.75%，這對于不太復雜的負載類型來說是個完全可接受的值。當然，紋波頻率等于100Hz。

圖6：輸出信號受紋波信號的影響很小

關閉電路要小心

當電路關閉時，電容器C2和C3可能會保持很長時間的充電狀態，因此必須格外小心。因此，建議將470kΩ的電阻與上述高壓電容器并聯，如圖1的接線圖所示。在正常工作條件下，其功耗約為110mW，因此不會影響電路的正常工作。但是，在沒有電的情況下，該電阻器會在大約50s內使電容器完全放電，而在20s后，電路就不再具有危險性（請參見圖7中的曲線圖）。

圖7：當電路關閉時，與電容器C2和C3并聯的電阻R3會使它們放電

效率

此電路的效率并不是支持這種電源的要點之一，過多的散熱會大大降低最終產出。以下簡化的效率計算給出了輸出功率和輸入功率之間的關系：

因此，

最終的效率為69%——我們當然不能談最大效率。

這種電源的實現并不方便

考慮到所有潛在的問題，可以說用傳統或開關式變壓器實現電源比用這種方式設置電路更方便（見圖8中的實現示例）。負面影響很多，可以總結如下：

大容量、高電壓聚酯電容器的成本與1A小型變壓器的成本相當，甚至更高。此外，電解電容器的成本很高。

電路未與輸入網絡隔離，因此會有潛在的危險。此外，有一個元件脫落或損毀，就可能導致整個設備發生損壞。

效率不是很高，因此不方便進行這么多的妥協。

最大輸出電流約為1A，這與需要20A或30A的電阻性或電感性負載相去甚遠。

圖8：無變壓器電源設計的一種可能實施圖

結論

無變壓器電源電路有許多缺點，不能用于精密和關鍵用途。這種電路無法提供大電流，并且輸出未與高壓輸入隔離。除了會出現電壓峰值以外，由于50Hz或60Hz的交流電，電容器還可能會吸收大電流，因此對整個電路存在潛在危險。無論如何，雖然在實踐中選擇這種解決方案不太方便，但是了解這種電源的基礎理論總是有用的。


文章來源：ednchina

編輯：ymf