阻容降压原理与液晶显示原理.docx
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阻容降压原理与液晶显示原理
阻容降压原理和计算公式
这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。
它的输出电压通常可在几伏到三几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。
所能提供的电流大小正比于限流电容容量。
采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：
（国际标准单位）
I（AV）=0.44*V/Zc=0.44*220/（2*Pi*f*C）
=0.44*220/（2*3.14*50*C）=30000C
=30000*0.000001=0.03A=30mA
f为电源频率单位HZ;C为电容容值单位F法拉;V为电源电压单位伏V;Zc=2*Pi*f*C为阻抗阻值单位欧姆.
如果采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为：
I（AV）=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C
=0.89*220*2*3.14*50*C=60000C
=60000*0.000001=0.06A=60mA
一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。
使用这种电路时，需要注意以下事项：
1、未和220V交流高压隔离，请注意安全，严防触电！
2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于400V），并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。
3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。
电容降压式电源将交流式电转换为低压直流
电容降压原理
电容降压的工作原理并不复杂。
他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。
例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。
当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。
虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。
根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。
例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。
因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。
同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。
因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。
因此，电容降压实际上是利用容抗限流。
而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。
将交流式电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法就是采用电容降压式电源。
一、电路原理
电容降压式简易电源的基本电路如图1，C1为降压电容器，D2为半波整流二极管，D1在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。
在实际应用时常常采用的是图2的所示的电路。
当需要向负载提供较大的电流时，可采用图3所示的桥式整流电路。
整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致，故不适合大电流供电的应用场合。
二、器件选择
1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。
因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。
C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。
当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.
2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。
3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。
三、设计举例
图2中，已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。
C1在电路中的容抗Xc为:
Xc=1/（2πfC）=1/（2*3.14*50*0.33*10-6）=9.65K
流过电容器C1的充电电流（Ic）为：
Ic=U/Xc=220/9.65=22mA。
通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：
C=14.5I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。
电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。
阻容降压原理说明
电容降压的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。
它的输出电压通常可在几伏到三几十伏，取决于所使用的稳压管。
所能提供的电流大小正比于限流电容容量。
电容降压的工作原理为利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。
例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180奥姆。
当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。
虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。
根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性组件，则阻性组件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全
取决于这个阻性组件的特性。
因此，电容降压实际上是利用容抗限流。
而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。
电容降压计算公式采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：
Zc的单位是奥姆；交流电频率f的单位是赫兹；电容器C的单位是法拉。
I（AV）=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C
=0.44*220*2*3.14*50*C=30395C
=30395*0.000001=0.03A=30mA
采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为：
I（AV）=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C
=0.89*220*2*3.14*50*C=61481C
=61481*0.000001=0.061A=61mA
采用电容降压时应注意以下几点：
1根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。
2限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。
而且电源电压为110V时电容的耐压须在275V以上，电源电压为220V时电容的耐压须在600V以上。
3限流电容须接于火线，电容降压不适合动态负载条件。
在电容器两端并联1M的泄放电阻。
若需要加电源开关，为防止浪涌电流对负载RL并联。
4当电容C确定以后，输出电流I是恒定的，而输出直流电压却随负载电阻RL大小不同在一定范围内变化。
RL越小输出电压越低，RL越大输出电压也越高。
5稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压，其稳定电流的选择也非常重要。
由于电容降压电源提供的的是恒定电流，近似为恒流源，因此一般不怕负载短路，但是当负载完全开路时，限流电阻及稳压管回路中将通过全部的电流，所以稳压管的最大稳定电流应该取比通过电容电流大一些为宜。
由于RL与稳压管并联，在保证RL取用正常工作电流的同时，尚有一些电流通过稳压管，所以其最小稳定电流不得大于这个电流，否则将失去稳压作用。
限流电阻取值不能太大，否则会增加电能损耗，同时也会增加C3的耐压要求。
滤波电容一般取100微法到1000微法,但要注意其耐亚的选择.耐压选择为负载电压加上R1上的压降，再考虑到留有一定的余量。
电容降压原理图
例：
如下图，C1为降压电容，一般为0.33~3.3uF。
假设C1=2uF，其容抗XCL=1/（2PI*fC1）=1592。
由于整流管的导通电阻只有几奥姆，稳压管VS的动态电阻为10奥姆左右，限流电阻R1及负载电阻RL一般为100~200，而滤波电容一般为100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。
若用R代表除C1以外所有元器件的等效电阻，可以画出图2的交流等效电路。
同时满足了XC1>R的条件,所以可以画出电压向量图。
由于R甚小于XC1，R上的压降VR也远小于C1上的压降，所以VC1与电源电压V近似相等，即VC1=V。
根据电工原理可知：
整流后的直流电流平均值Id,与交流电平均值I的关系为Id=V/XC1。
若C1以uF为单位，则Id为毫安培单位，对于22V，50赫兹交流电来说，可得到Id=0.62C1。
由此可以得出以下两个结论：
（1）在使用电源变压器作整流电源时，当电路中各项参数确定以后，输出电压是恒定的，而输出电流Id则随负载增减而变化；
（2）使用电容降压作整流电路时，由于Id=0.62C1,可以看出，Id与C1成正比，即C1确定以后，输出电流Id是恒定的，而输出直流电压却随负载电阻RL大小不同在一定范围内变化。
RL越小输出电压越低，RL越大输出电压也越高。
C1取值大小应根据负载电流来选择，比如负载电路需要9V工作电压，负载平均电流为75毫安培，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF。
考虑到稳压管VD5的的损耗，C1可以取1.5uF，此时电源实际提供的电流为Id=93毫安培。
稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压，其稳定电流的选择也非常重要。
由于电容降压电源提供的的是恒定电流，近似为恒流源，因此一般不怕负载短路，但是当负载完全开路时，R1及VD5回路中将通过全部的93毫安培电流，所以VD5的最大稳定电流应该取100毫安培为宜。
由于RL与VD5并联，在保证RL取用75毫安培工作电流的同时，尚有18毫安培电流通过VD5，所以其最小稳定电流不得大于18毫安培，否则将失去稳压作用。
限流电阻取值不能太大，否则会增加电能损耗，同时也会增加C2的耐压要求。
如果是R1=100奥姆，R1上的压降为9.3V,则损耗为0.86瓦,可以取100奥姆1瓦的电阻。
滤波电容一般取100微法到1000微法,但要注意其耐亚的选择.前已述及,负载电压为9V,R1上的压降为9.3V,总降压为18.3V,考虑到留有一定的余量,因此C2耐压取25V以上为好。
电容降压式简易电源的基本电路如图1，C1为降压电容器，VD2为半波整流二极管，VD1在市电的负半周时给C1提供放电回路，VD3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。
在实际应用时常常采用的是图2的所示的电路。
当需要向负载提供较大的电流时,可采用图3所示的桥式整流电路。
整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动,这是因为此类电源内阻很大的缘故所致,故不适合大电流供电的应用场合。
整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致，故不适合大电流供电的应用场合。
二、器件选择
1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。
因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。
C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。
当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。
2.为保证C1可靠工作,其耐压选择应大于两倍的电源电压。
3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。
三、设计举例
图2中，已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。
C1在电路中的容抗Xc为：
Xc=1/（2πfC）=1/（2*3.14*50*0.33*10-6）=9.65K
流过电容器C1的充电电流（Ic）为：
Ic=U/Xc=220/9.65=22mA。
通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：
C=14.5I,其中C的容量单位是μF,Io的单位是A.
四、应用注意
采用电容降压时应注意以下几点：
1根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容,而不是依据负载的电压和功率。
2限流电容必须采用无极性电容,绝对不能采用电解电容.而且电容的耐压须在400V以上.最理想的电容为铁壳油浸电容。
3电容降压不能用于大功率条件，因为不安全。
4电容降压不适合动态负载条件。
5同样，电容降压不适合容性和感性负载。
6当需要直流工作时，尽量采用半波整流。
不建议采用桥式整流。
而且要满足恒定负载的条件。
7电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。
在这边的电子市场我买到一个4位笔段式液晶屏，4个数字最中间有冒号，边上还有几个箭头符号，一共有15个引脚，正合适用AVR来驱动做一个钟。
笔段式LCD屏的结构与LED数码管很相似，但是由于是液晶，工作机理上不同，驱动方式也有很大差异：
（1）LED有正负之分，液晶笔划没有。
（2）LED在直流电压下工作，液晶需要交流电压，防止电解效应。
（3）LED需要电流提供发光的能量，液晶笔划显示状态下电流非常微弱。
（4）LED对微小电流不反应，液晶则很敏感。
不难看出，用LED的驱动方式来对待LCD屏是行不通的。
我在买回来测试这块屏之前没有意识到，于是走了不少的弯路。
与LED驱动不同的是需要给每个笔划加上一个交流电压。
一般用30-60Hz的方波就可以了，频率再低显示会有所波动，频率高了功耗也会增加，因为LCD对电路呈现容性。
而且，正负电压都可以"点亮"液晶。
好在AVR的I/O口可以三态输出，也就是除了高/低电平，还可以呈现高阻抗，相当于断开连接。
于是我想到了这样的办法：
不需要显示的那一组笔划对应的公共端悬空（I/O口选择三态），那么就不会加上电压了。
照这个思路，我的实验电路焊好，出来的显示却是一团糟：
笔划都黑了看不清。
我这才考虑到液晶本身的问题：
阻抗高，而且有电容，是不可一边悬空的！
这个道理也许跟CMOS输入端差不多。
查找了一些关于液晶的资料，大致知道LCD屏不是那么简单的，驱动方式通常是1/N,也就是电压不止高低两档。
可是单片机I/O没有那么多输出状态可以选择。
1/2Bias驱动
不显示的液晶笔划两端电压相等，显示的不等。
这样一个要求在扫描方式
下不能满足，于是改为电压等级不同。
1/2Bias驱动就是这样的，如下：
如此，在COM1,SEG1选择的笔划上，加上的电压为-1/2,-1,+1/2,+1...在COM1,SEG2选择的笔划上，加上的电压为+1/2,-1,-1/2,+1...在COM2,SEG1选择的笔划上，加上的电压为-1,-1/2,+1,+1/2...在COM2,SEG2选择的笔划上，加上的电压为0,-1/2,0,+1/2...
计算一下大致的平均功率（如果液晶灰度与电压平方成正比，实际不是这样）前三者是一样的，都是1+（1/2）^2=5/4,对于最后一个0+（1/2）^2=1/4因此显示的功率比为5:
1,显示状态会是这样：
AVRI/O没有能力输出1/2Vcc的电压（ADC在这里就不要考虑了,浪费I/O还不如用静态液晶屏）,因此没有办法实现真正的1/2Bias驱动。
但是注意到要提供一个一半电源电压也不是难事，既然AVRI/O口可以三态，我们用两个电阻分压将端口"拉"到1/2Vcc就好了，于是，1/2Bias驱动的做法可以这样：
取电阻1Meg是综合耗电与分压效果考虑的。
这样在COMx就可以产生三种电压值，就达到了1/2Bias动态驱动的目的。
实现起来在前面的基础上增加电阻即可，我的屏有4个公共端，因此用了8个电阻，数字就能够显示出来了。
虽然显示的确做到了,然而效果却不能让我满意。
具体表现就是需要正对着LCD屏看才是很清晰的；如果斜着看，就可能一片混浊了，没有达到实用。
用2节Ni-MH供电时候正着看没问题，用2节干电池（电压提高一点）就不是很清晰了。
如前面的分析，那些没有被选择的笔段其实也加上了变化的电压，只不过与选择的比段相比电压平均有效值低一些。
这两个的差异足够显著，才能保证显示效果。
再分析1/2Bais驱动在我的LCD屏上1/4分时扫描的结果：
一个周期内，"点亮"的笔段平均功率=1^2+（1/2）^2+（1/2）^2+（1/2）^2=7/4,而没有被"点亮"的笔段为=0+（1/2）^2+（1/2）^2+（1/2）^2=3/4,两者之比7:
3
跟前面的例子分析对比看出，从1/2分时扫描变到1/4分时扫描，显出来的笔段和不显的笔段上，电压产生平均功率的对比从5:
1变到7:
3了。
我尝试从软件上改变扫描时序，也不能改进显示效果，看来1/2Bias不够用的了。
我查了Nokia3310液晶手册其中对于LCD电压输出时序的描述。
恰好里面有一个图，绘出了行和列控制线上的波形。
从坐标轴上看出Vlcd和Vss之间另外还有4个电压等级。
这么多种电压用AVRI/O实现已经不现实了。
我再考虑选用带有LCD驱动功能的MCU,AVR只有一款ATmega169,封装形式不适合DIY。
Microchip有一款PIC16F913,有28DIP的封装，看上去正合适。
暂时不知道价格，我先找来它的手册看看。
详细看了LCD驱动模块的部分，我发现PIC16F913也只有1/2Bias驱动和1/3Bias驱动两种选项，分时最多为1/4分时驱动，对于我的屏正好。
1/3Bias驱动需要将Vcc--GND之间的电压三等分，一个周期驱动波形示例如下：
在（COM1,SEG1）笔段上，电压为+1,-1/3,-1,+1/3...在（COM1,SEG2）上为+1/3,+1/3,-1/3,-1/3...在（COM2,SEG1）上：
+1/3,+1/3,-1/3,-1/3...在（COM2,SEG2）上：
-1/3,+1,+1/3,-1...
于是计算平均功率，在（COM1,SEG1）和（COM2,SEG2）上面是2*1^2+2*（1/3）^2=20/9在（COM1,SEG2）和（COM2,SEG1）上面是4*（1/3）^2=4/9,两者之比5:
1
假如不是上图的1/2分时驱动而是1/4分时驱动，这个比例将变为
2*1^2+6*（1/3）^2vs8*（1/3）^2=3:
1
若将原来的1/2Bias改用1/3Bias驱动，对于我的LCD屏这个比值从7:
3改善为3:
1了。
既然PIC16F913只设计了1/2Bias与1/3Bias，用起来应该问题不大。
AVR单个I/O口要实现4种电压输出--不可能吧，我是想不出来了。
AVR最多只有三种电压输出，能不能对这个电压再做等分呢？
一番思索之后我想这样行不行：
就4等分吧.
我的做法就是SEGx输出有两种：
3/4*Vcc和1/4*Vcc,而COMy输出有三种：
Vcc,GND,1/2*Vcc.对于每个I/O口，并不需要4种电压输出。
当然这样跟1/3Bias驱动是不一样的，但是却达到了1/3Bias驱动的效果，只不过加在液晶笔段上的电压绝对值最大不是Vcc而是3/4*Vcc了，因此电源电压也需要提高。
这里计算省略。
这种驱动方式我称之为"伪1/3Bias驱动".对于COMy的处理和前面一样，对于SEGx,将I/O输出电压改变一下，高电平3/4*Vcc,低电平1/4*Vcc就好了。
我的做法是：
这里的1/2Vcc可以将电源电压用电阻分压得到，我想的办法是直接接个几uF电容到GND,实验是成功的。
因为随着扫描的进行，这个地方的平均电压是输出高电平和低电平的一半。
目前我做了一个Mega48V的秒计数器，再改改就能把钟做出来了。
这是我的程序：
（因为刚刚开始用AVR，从最简单的开始，就直接用汇编了）
Timer2用外接32768晶振提供时钟，整个系统耗电大约30微安。
;lcddisplay.asm
;TestrawLCDdisplay
.include"m48def.inc"
.org0x0000
rjmpstart
.orgOC2Aaddr
rjmpisr_timer2
.org0x0020
table:
.DB0b11101101,0b00101000,0b10110101,0b10111001
.DB0b01111000,0b11011001,0b11011101,0b10101000
.DB0b11111101,0b11111001
start:
ldir16,1<outMCUCR,r16;disableallI/Opull-up
ldir16,1<stsASSR,r16;enableasynchronousmode
ldir16,1<stsTCCR2A,r16;CTCmode
ldir16,31
stsOCR2A,r16;presetcompareA
ldir16,1<;ldir16,1<stsTCCR2B,r16
ldir16,1<outTIFR2,r16;clearflag
ldir16,1<stsTIMSK2,r16;enableinterruptoncomparematchA
serr16
outDDRD,r16;PortDoutput--LCDsegmentcontrol
clrr5
ldir16,0x55
movr6,r16
clrr7
clrr8
ldir16,9
movr10,r16
movr11,r16
movr12,r16
movr13,r16
decr10
sei;enableglobalinterrupt
ldir16,（1<outSMCR,r16;useIdlemodehere,waiting1second
clrr2
iniw:
sleep
decr2
brneiniw
ldir16,（1<outSMCR,r16;usepower-savemode
nop
nop
clrr2
loop:
nop
nop
sleep
nop
no
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