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我们已经知道，人们普遍使用的市电是正弦波交流电，交流市电的特性是：有效值为220V，峰值等于有效值的√2 倍，频率为50Hz，周期(T)是0.02s。交流电的波形如图2-1所示。 图2-1 交流电的特性波形图 【提示】 频率(f)与周期(T)的关系：T=1/f，其中，频率是指1s内正负极性交替变化的次数，周期是指正负极性变化1次所需要的时间。而有效值是指在一个周期内的平均电压值(如图2-1中OACD所围成的矩形面积)。 绝大多数电子设备使用的是低压直流电，我们日常使用的电源是220V交流市电，由于电压太高，不能直接供给这些电子设备。所以，交流市电必须要经过降压，再经变换成为直流电才能用于电子设备。在电子设备中，将交流电压(电流)变换为单向脉动直流电压(电流)的过程叫整流，通常称为AC-DC转换。这是利用二极管的单向导电特性进行转换的，简单方便。下面简要分析整流滤波电路。 单相半波整流滤波电路1.半波整流电路 半波整流电路主要由变压器、整流二极管和负载组成。单相半波整流电路原理图如图2-2所示。 图2-2 单相半波整流电路原理图 图2-2a中，T为电源变压器，假定一次侧接入220V交流市电电压U1，利用变压器的原理在二次侧得到交流电压U2(假定变压器为降压变压器)，其波形如图2-3a所示，正负极性、幅值随时间变化而变化，U2为有效值，峰值为 U2。在U2的正半周期间，U2的上端为正，下端为负。二极管VD正向导通，相当于开关接通，如图2-2b中，有电流流过二极管和负载RL，在负载上得到输出电压Uo=U2-0.7V≈U2，如图2-3b中0～0.01s期间的波形。 图2-3 半波整流在负载上得到的电压电流波形图 在U2的负半周期间U2变为上负下正，二极管VD因反偏而截止，相当于开关断开，如图2-2c中，没有电流流过负载，即负载上的电压Uo为0，如图2-3b中0.01～0.02s期间。 由此可看出，半波整流只用了交流电的半个周期，而且负载有0.01s的缺电期，在负载上形成的平均电压为Uo(AV)=0.45U2。 这里对半波整流电路是以交流电压为例来说明的，实际上，它也可以对脉冲电压进行整流，并且对脉冲电压进行整流在开关电路中应用较多。 2.滤波电路 从图2-3可以看出，整流后在负载上得到的电压呈间断状态，称为单向脉动直流电(电流方向不变，总是自上而下流过负载)，大多数的电子设备在这样的供电情况下还是不能正常工作，表现出来就是出现故障。为了给负载供给稳定的直流电压，还需要将脉冲直流电进行滤波。 滤波的目的是要将脉冲直流电的脉动成分削弱，使输出电压更加平稳。滤波的方式主要有电容滤波、电感滤波、阻容滤波和π形滤波等方式。 (1)电容滤波 电容滤波的电路原理图如图2-4所示。 图2-4 电容滤波电路图 电容滤波电路，实际上就是在整流滤波的电路原理图中的负载上并联一个电容器。下面我们分析一下增加电容器后工作情况有什么变化。 变压器二次电压U2波形如图2-5a中虚线所示。当U2处在第一个正半周的上升期(0～t1)时，二极管VD导通，其电流向电容器充电，电容器上的电压很快被充到U2的峰值。当U2下降时，电容器上的电压暂时保持在其峰值，因为电容两端电压不能突变，所以二极管处于反向截止状态，电容器上的电压通过负载缓慢放电，电压渐渐降低，如图2-5a中t1～t2期间波形所示。到达t2时，由于U2变到第二个正半周上升期并使二极管重新导通，再向电容器充电，电容器的电压UC又随U2升高，再次达到峰值，这样重复下去得到如图2-5a中的实线波形，它呈锯齿波形或三角波形。其负载电压UL的平均电压大幅提高。 图2-5 电容滤波波形图 在U1发生突变(升高或降低)时，电容器两端的电压不会发生大幅波动。当U1突然升高时，U2整流后对电容器的充电电流加大，因为电容器两端电压不能突变，所以电容器上的电压上升缓慢，削弱了浪涌电流对负载的冲击，还能起到保护负载的作用。同理，若U1突然下降，虽然U2也下降，但电容器上的充电电压不能突然降低，它只能通过负载缓缓放电，从而使负载上的电压也不会突然降低。 电容滤波过程中电压的特点是： 1)输出电压没有了间断区，滤波后的直流电压比无电容器时提高了，几乎达到了U2的峰值。在实际中，由于电容器的放电及整流管内阻等因素会使输出电压略低，它约等于U2。 2)C越大，RL越大，放电所引起的电压下降就越小，输出电压略有提高。 3)滤波后的电压呈锯齿波形，用示波器可清楚地看到其波形。 4)由于电源电压只在半个周期内有输出，电源利用率低，脉冲成分太大。 (2)电感滤波 电感滤波电路原理图如图2-6a所示。 由电感本身的物理特性可知，当通过电感的原电流突然增大时，电感自身就产生一个感应电动势，其方向与增大的电流方向相反，两者相抵消一部分，阻碍电流的突然增大;当通过电感的原电流突然减小时，电感自身同样能产生一个感应电动势，其方向与减小的方向相反，又阻碍电流的突然减小。这样的特性使变化的电流不能通过电感线圈加到负载上，使负载上的电压变化较缓，从而起到稳压的作用。 阻容滤波和π形滤波的电路形式如图2-6b和d所示，它们的工作原理与上述两种滤波电路原理很相似，请读者自行分析。 图2-6 滤波的几种方式 从这几种滤波方式的图形可见，电容滤波简单，阻容滤波负载电流较小，电阻不能太大;电感滤波效果好，但电感体积较大，π形滤波效果最好。 单相全波整流滤波电路由于半波整流存在输出电压脉动大以及电源利用率低等缺点，因而实际应用中常采用全波整流。其电路组成如图2-7a所示。与半波整流不同的是，变压器多了一个中间抽头，其1～0线圈与0～2线圈匝数相等。 查看图2-7a、b。输入交流电压U1为正半周时，变压器二次感应电压U2分为U2a和U2b两部分。U2a由变压器二次1～0线圈产生，设极性为“1正0负”;U2b由变压器二次0～2线圈产生，极性为“0正2负”。二极管VD1因正偏而导通(相当于开关接通)，电流自上而下流经负载RL到变压器中心抽头0端;二极管VD2因反偏而截止(相当于开关断开)。当输入交流电压U1为负半周时，变压器二次感应电压极性为“1负0正”、“0正2负”，因而，VD1截止，VD2导通，电流还是自上而下流经负载到中心抽头0端。 图2-7 单相全波整流滤波电路原理图 当交流电进入下一个周期时，又重复上述过程。可见，交流电的正负半周使VD1与VD2轮流导通，在负载上总是得到自上而下的单向脉动直流电流。与半波整流相比，它有效地利用了交流电的负半周。全波整流滤波波形如图2-8所示。 图2-8 全波整流滤波波形图 由图2-8分析可知，全波整流滤波电路的输出电压Uo比半波整流提高了一倍，且有 Uo=0.9U2 桥式整流及滤波电路为了克服半波整流的缺点，实际电路中还常采用桥式整流及滤波电路。桥式整流及滤波电路原理图如图2-9所示。 图2-9 桥式整流及滤波电路原理图 从电路图中可以看出，该电路用了四个整流二极管，其工作原理如下所述。 假设U2为变压器二次交流电压，在U2的正半周期期间，变压器二次为上正下负，二极管VD1、VD3因正偏导通，电流由1端流出，经VD1、RL和VD3回到变压器2端，在负载上得到“上正下负”的电压，此时，VD2和VD4因反向而截止，波形如图2-10a所示。请读者注意电流的方向和通路。 在U2的负半周期期间，变压器二次为上负下正，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流由2端流出，经VD2、RL和VD4回到变压器1端，在负载上得到的还是“上正下负”的电压。可见在U2的整个周期内VD1、VD3工作半周，VD2、VD4工作半周，两组轮流导通，在负载上总是得到“上正下负”的单向脉动直流电压，其波形变化如图2-10b所示。 当在负载两端并接上电容器滤波时，其输出电压更加平稳。其输出电压波形如图2-10c中实线所示。 桥式整流及滤波电路的特点是脉动减小、电源利用率提高。桥式整流电路的输出电压在无电容时约为0.9U2，桥式整流后的滤波电路同于单相滤波电路，滤波后的输出电压为Uo=√2U2。 图2-10 桥式整流及滤波波形图 |
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