无变压器电源：基础原理、工作机制与设计要求全解析

通常电子产品使用降压变压器使直流电源将市电交流电压转为直流电压(通常较低)。过程涉及将高交流转低交流，再经开关模式变压器转低压直流。虽长期有效，但成本高、体积大，设计制造时也需更大空间。因此更廉价、更好的替代方案是无变压器电源。除是开关模式电源外，它成本更低、体积更小，且广泛用于家用电器等电子元件。

什么是无变压器电源？

顾名思义，无变压器电源电路在提供市电高压交流转低压直流时不使用电感或变压器。工作原理：利用高压电容降低市电交流初级电流(120V或230V)至低电流水平(12V、5V或3V)。该低水平适合连接负载或电子电路最佳运行。因此当电路需低电流(如几毫安)或单片机电路时，应为电路选用无变压器电源。无变压器电路工作原理涉及浪涌限制、供电电压分压、稳压、整流——将在电源结构中讨论。

无变压器电源优缺点

像任何技术设备，无变压器电源有优缺点。

优点

• 首先，便宜。
• 其次，占用空间小，不笨重，相对变压器应用的混乱笨重。
• 第三，可用于低功率电子元件。

缺点

• 电阻式无变压器电源过量热耗散降低最终输出电压，降低效率。
• 最大输出电流约1安培，不利于需20A或30A工作的电感性或电阻性负载。
• 电路与输入电源无隔离，操作风险高(出入口无隔离)。微小元件断裂或脱离将毁坏整个设备。
• 设置和低输出不适合安全或医疗设备等复杂系统。

庆幸我们描述的无变压器电路设计在桥式整流器后有多个稳定级，从而降低风险。

无变压器电源电路图介绍

https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitive_power_supply#/media/File:Capacitive_Power_Supply.png

(无变压器电源电路图)

上图无变压器电源电路图功能为无电感或变压器将高交流电压转低直流电压。下节将分解电路工作原理。

无变压器电源结构/设计

制作无变压器电源电路前的预防措施：

• 首要：无优质知识经验操作交流输入电压极其危险，务必极度小心处理电路。
• 第二：仅使用1瓦或以上(5W)额定值的稳压二极管或电阻。
• 第三：缺稳压二极管可用IC稳压器稳压。
• 切勿尝试用其他电容替代X额定电容，否则会爆炸。
• 安全起见，可在X额定电容前串联相线使用1安培保险丝。
• 元件间留足间距。
• 即使关闭电路，也避免触摸降压电容任何点防触电。
• 最后：产品需更大输出电流电压时，使用不同值X额定电容。

元件

无变压器电源电路元件包括：

• R1: 1Ω电阻, 5W.
• R2: 10Ω电阻; 负载不应小于10Ω.
• R3: 470kΩ电阻, 1W.
• R4: 1Ω电阻, 5W.
• R5: 200mA保险丝.
• 降压电容/X额定电容(核心元件) — 可选230V、400V、600V交流或更高.

(电容类型)

• C1: 33,000µF极性电解电容, 25VL.
• C2和C3: 聚酯无极性电容 ≥400V, 10µF.
• D1: 二极管1N4007.
• D2: 12V, 3W稳压二极管.
• D3至D13: 1N4007.

理想无变压器设计

1. 电容C1将市电120V或220V高电流降至适合输出直流负载的较低水平。C1每1微法拉向输出负载提供约50mA电流。
2. R1电阻为C1高压提供放电路径。拔掉市电输入时C1可储存高压(120V或220V)，触碰脱离状态插头引脚会造成高压触电。R1快速释放高压。
3. D1至D4二极管作为桥式整流器将C1低电流交流转低电流直流。C1不限制电压至50mA而是限制电流。桥式整流器输出直流为220V峰值：220 × 1.41 = 310V DC。桥输出约310V, 50mA。
4. 310V对低压过高除非用于继电器。需用正确额定稳压二极管将310V DC分流至理想低电平(如24V、12V等)。

(稳压二极管类型)

5. R2电阻为限流电阻。虽C1作限流器，但瞬间施加输入交流时，C1毫秒级充当短路。开关闭合几毫秒内220V高压交流进入功率电路，高电压可能破坏直流输出负载。更好应对是引入NTC，此处用R2作限流器。

滤波电容为C2。主要作用是平滑初始整流后100Hz纹波至更纯净直流。

无变压器电源类型

无变压器电源主要两种类型，详细讨论：

1. 电阻式无变压器电源

电阻式电源跨压降电阻以降低热能形式。因热降低产生电阻限制过量电流。通常压降电阻耗散热功率。注意：多见应用用双倍额定功率电阻，因其比其他类型无变压器电源跨压耗散更多能量。

2. 电容式无变压器电源

第二类电容式电源运行低功耗、低热耗散，效率更高。结构：X额定电容串联连接230V、400V、600V，市电作为降压电容降低电压。

电阻式与电容式无变压器电源区别

主要区别：电容式电源电路中压降电阻降低过量电压，几乎零能量损失和热耗散。相反电阻式跨压降电阻耗散额外能量为热。

无变压器电源12V

用上图讨论第三类：无变压器电源12V。作用原理：用稳压二极管、桥式整流器、电容、电阻将220V市电交流转12V直流。C1作X额定电容降高交流电压。D1-D4桥整流二极管经整流将交流转直流，因交流峰值RMS致230V交流转高310V直流。C2电容消除直流获得的纹波。R1电阻消除关机时产生的储存电流；R2作为浪涌限流电阻限制过量电流。稳压二极管消除峰值反向电压并稳定调节输出直流至所需12V。接LED验证工作。最后用防震材料全封闭电路防损坏触电。此外可在电源输入端串联小隔离变压器隔离主交流供电。

无变压器电源应用

无变压器电源常用于低成本低功率电子元件，如：

• 模数转换器
• 电信系统
• 数字通信系统
• 稳压器和分压电路电路
• 电子玩具
• 手机充电器
• LED灯泡

(可调12V/24V白色LED灯带)

• 应急灯

结论

总结：无变压器电源电路在体积、成本、尺寸方面是变压器电源的可靠替代品。尽管输出电流小，但已惠及低电压需求电器。因工艺有规范，DIY时务必额外预防。阅读本文将启发您并强调必要步骤。若有疑问或想法，欢迎联系我们。满足您的需求即满足技术世界的需求。