【专题5: 硬件设计】之【30.案例三：碎纸机，DC-DC降压方法（电容降压原理）】

希望本是无所谓有，无所谓无的，这正如脚下的路，其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路
原创不易，文章会持续更新
文章会同步到作者个人公众号上，感谢扫码关注

所有文章总目录：【嵌入式无人机电机控制】
原创视频总目录：【嵌入式无人机电机控制】

因为继电器和逻辑电路使用5v供电，所以必须要有一个5v的直流电源。之前我们是使用一个变压器加一个整流桥以及一个LM7805将高压交流将为低压直流，但这样做成本是很高的。怎么直接使用电容来实现降压呢？

1.概述

（1）使用LDO线性电源，它的效率较低，一般为20%~70%，并且功率越大，效率越低。

（2）使用Buck电路（开关电源），效率一般为70%~90%，在大功率中一般使用开关电源作为降压电路。
注：AC到DC是整流，不是降压。

2.电容降压使用方法

电容有一个容抗，类似于电阻的电阻，电容的知识可以看文章【专题2：电子工程师之硬件】之【2.电容】。
由公式可知，容抗和交流电频率f有关。使用市电时，频率固定为50Hz；所以容抗就只和电容大小有关。

所以流过a点的电流的计算公式为：流过电容的电流 = 电压 ÷ 电容容抗
因为相对于负载来说，负载的电阻一般才几百欧，而电容容抗一般在十几K，所以可以直接将负载的电压忽略，220v全部加在电容两端。譬如电容的大小为0.33uF，代入公式可得容抗为9.65K，电流大概为30mA。

所以在实际电路设计中，需要先大概估算出负载总共需要电流，然后供国电流反算电容的大小。

2.电容降压电路原理图分析

在上图的1/2周期内，给电容充电，此时负载R上有电流流过，负载正常工作。当交流电电压从220v开始递减时，电容对电源放电，此时负载流过一个反向的电流。由此可加，负载的两端的电压的极性不稳定，一会正向流，一会反向流，不能获得稳定的电流。

3.电容降压电路改进一

基于之前的分析，我们希望电流只有一个方向，可以想到使用一个二极管，将反向电流阻隔。

（1）在交流电正半周期，负载有电流流过；在负半周期，负载没有电流流过。

（2）在一个交流电周期中，随着电源电压逐渐上升，电容两端的电压也逐渐上升，在电容充电的过程中，负载有电流流过；当电容两端的电压为220V时，电源不会再给电容充电，此时负载没有电流流过。

进入下半周期，因为有二极管的存在，电源的电流是不能流动的，电容也不能反向给负载放电，即在1/2周期中，电容两端的电压一直保持在220V；进入下一个周期，电源仍然不会给电容充电（电容的电压一直为220V），即只有在第一个周期中的前1/2周期内，电路有电流流过，其余时间都没有电流流过。

也就是：红色的时间段里，负载有电流流过，蓝色的时间段里，没有电流流过，并且电容两端的电压一直保持220v的压降。

（3）电容两端的电压持续为220V，比较危险。

4.电容降压电路改进二

4.1.分析评价

（1）改进一出现的主要问题是：电容没有可以放电的回路，只有第一次给电容充电时，负载才有电流流过，之后的周期里，因为电容两端的电压一直保持在220v，交流电不会再给电容充电，所以其他时间都是没有电流流过负载的，这显然不合理。在1/2周期内，必须给电容放电。

可以在电容的后面加一个反向二极管，用作放电回路。

（2）在交流电的前1/2个周期内，情况和电路改进一相同。后面的1/2个周期，电容可以通过下面的二极管进行放电。然后在第二个周期的1/2周期时间内，电源又可以给电容充电，又有电流流过负载。如下图所示：

注：虽然在一个周期中，只有1/2周期在给电容充电，但因为充电频率太快(市电为50Hz)，所以在宏观上看，在负载的上端一直有一个电流流过。

因为电容有相移作用，即电容两端的电流比电压相位超前90度；从上图可以得出结论：只要在-pi/2~pi/2中，负载才有电流流过，这种电路称为半波整流电路。

负载两端的电流是有电容的充放电决定的，充放电过程一直存在，并且充放电的电流不会受后面负载的影响，即负载两端的电路等效为一个恒流源。恒流源电流的大小由电容的充放电电流大小决定，而充放电的电流大小又由电容的容值大小决定。

4.2.电容降压电路的特点

（1）成本低（不需要变压器和整流桥）。

（2）小电流（电容有很高的容抗，流过负载的电流在10mA~100mA左右）。

（3）非隔离（虽然负载上的压降是低压，但是这种低压是基于220V交流电的，相当于电路GND为220V电压，即在负载的上端也是一个高压；没有和220V电隔离，故比较危险）。

4.3.全波整流和半波整流的正式计算公式

（1）半波整流：电流i=0.44*V/Rc，0.44是系数。

（2）全波整流：电流i=0.89*V/Rc，0.89是系数。

示例：
电容为1uF，半波整流时，i=0.4422023.1450*C=30000C=30mA；全波整流时为60mA。

在实际应用中，全波整流比半波整流的稳定性更差，所以一般不会用全波整流，一般都是使用半波整流。要想增大输出电流，可以加大电容容值，但电容不能无限制的大(越大越贵)，如果负载的电流超过100mA，一般都是使用开关电源比较合适。

4.4.电容降压电路使用时注意事项

（1）和220V高压没有隔离，要注意安全。

（2）电容要接火线。

（3）电容的耐压要足够大（400V）。

5.电容降压电路改进三

在交流电的正半周期给电容充电，在负半周期，通过二极管放电（电容右端的电荷跑到左端），为下一个周期充电做号准备。如果在电容刚好冲到220V时，开关S突然断开，则电容会一直保持220V的高压，比较危险，所以在电容的上面加上一个电阻，提供电容放电的通路，这个电阻叫做释放电阻。

6.电容降压电路改进四

说明：
因为a点的电压是在30V上下浮动的，不稳定，所以可以加上一个稳压管，因为稳压管流过正向电流时，和一个普通的二极管没有什么区别，即也可以用作给电容放电的通路，所以可以去掉一个二极管。

7.电容降压电路最终版本

8.电容降压–恒流源电路

说明：
（1）画红圈部分为一个恒流源电路，不管后面的负载存不存在，交流电都会给电容充电，然后通过稳压管放电，即电容两端的充放电电流是一直存在的，所以可以等效为一个恒流源。

（2）恒流源不怕短路，即使后面的负载为一根导线，因为恒流源提供的电流一般不会太大（如果电容为1uF，电流才为30mA），不足以烧毁元器件。

（3）在断路（负载全部断开，R断路）情况下，恒流源一定要有一个通路，通路可以为稳压管，但该稳压管最大电流要大于恒流源的输出电流（电容充放电电流）。为了保护稳压管不被烧毁，所以还会加上一个限流电阻，该电阻的阻值一般为100R。