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详解整流滤波电路

 乐天j9oz11ly6j 2020-02-21

整流滤波电路是常用电源电路,由整流电路和滤波电路两部分组成,主要功能和作用是将交流电源降压、整流、滤波为合适的直流电压,作为电子电路的工作电源。

1.整流电路

整流电路是将交流电转换为直流电的电路。整流电路是利用二极管等具有单向导电特性的电子器件进行工作的,包括半波整流、全波整流、桥式整流等电路形式。

(1)半波整流电路

半波整流电路是最简单、最基本的整流电路,如图8-2所示,由电源变压器T、整流二极管VD组成,RL为负载电阻。

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图8-2 半波整流电路

电源变压器T的一次绕组L1接交流电源电压U1(通常为交流220V市电),经过变压器T的降压,在其二次绕组L2两端得到所需要的交流电压U2,再经VD整流成为直流电压Uo。电路工作过程如下。

在交流电压U1正半周时,U2的极性为上正下负,如图8-3(a)所示。大家知道,二极管具有单向导电性,即电流只能从正极流向负极。U2正半周期时,VD加的是正向电压,因此VD导通,电流I由U2正极经VD、负载电阻RL回到U2负极,形成电流回路,并在RL上产生电压降(即为输出电压Uo),其极性为上正下负。

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图8-3 半波整流电路工作原理示意图

在交流电压U1负半周时,U2的极性为上负下正,如图8-3(b)所示。这时,VD加的是反向电压,因此VD截止,电流I=0A,负载电阻RL上无电压降,输出电压Uo=0V。

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图8-4 半波整流电路工作波形

半波整流电路工作波形如图8-4所示。从图中可见,半波整流电路只有在交流电压U2正半周时才有输出电压Uo,负半周时无输出电压,输出电压的直流分量较少,交流分量较多。由于只利用了交流电压U2正弦波的半个周期,所以半波整流电路的效率较低。

(2)全波整流电路

为了提高整流效率、减少输出电压Uo的脉动分量,往往采用全波整流电路。全波整流电路实际上是2个半波整流电路的组合,电路如图8-5所示,采用了2个整流二极管VD1和VD2。

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图8-5 全波整流电路

全波整流时电源变压器T的二次绕组匝数为半波整流时的2倍,且中心抽头将T的二次绕组分为L2与L32个部分。当电源变压器T一次绕组L1接入交流电源U1时,在二次绕组L2与L3上则分别产生U2与U32个大小相等、相位相反的交流电压。

在交流电压U1正半周时,U2与U3均为上正下负,如图8-6(a)所示。U2对于VD1而言是正向电压,因此VD1导通,电流I1经VD1流过负载电阻RL,RL上电压Uo为上正下负;而U3对于整流二极管VD2而言是反向电压,因此VD2截止。

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图8-6 全波整流电路工作原理示意图

在交流电压U1负半周时,U2与U3均为上负下正,如图8-6(b)所示。这时,U2对于VD1而言是反向电压,因此VD1截止;U3对于VD2而言是正向电压,因此VD2导通,电流I2经VD2流过负载电阻RL,RL上电压Uo仍为上正下负。

综上所述,在交流电压正半周时,VD1导通,由二次电压U2向负载电阻RL供电;在交流电压负半周期时,VD2导通,由二次电压U3向负载电阻RL供电。由于U2与U3大小相等、相位相反,所以交流电压的正、负半周均在负载电阻RL上得到利用。

全波整流电路工作波形如图8-7所示。从波形图可见,全波整流电路利用了输入交流电压的整个正弦波,因此其输出电流和输出电压的脉动频率为半波整流时的2倍,其中的直流分量也是半波整流时的2倍,整流效率大大提高。

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图8-7 全波整流电路工作波形

(3)桥式整流电路

桥式整流电路是另一电路形式的全波整流电路,电路如图8-8所示。桥式整流电路虽然需要使用4只整流二极管,但是电源变压器二次绕组不必绕2倍匝数,也不必有中心抽头,制作更为方便,因此得到了非常广泛的应用。

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图8-8 桥式整流电路

桥式整流电路工作过程如图8-9所示。

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图8-9 桥式整流电路工作原理示意图

在交流电压U1正半周时,电源变压器二次电压U2的极性为上正下负,4只整流二极管中,VD1、VD4因所加电压为反向电压而截止,VD2、VD3因所加电压为正向电压而导通,电流I1流过负载电阻RL,在RL上产生电压降(即为输出电压Uo),电压极性为上正下负。

在交流电压U1负半周期时,电源变压器二次电压U2的极性为上负下正,4只整流二极管中,VD2、VD3因所加电压为反向电压而截止,VD1、VD4因所加电压为正向电压而导通,电流I2流过负载电阻RL,在RL上产生电压降(即为输出电压Uo),电压极性仍为上正下负。

桥式整流电路中,由于4只整流二极管巧妙地轮流工作,交流电压的正、负半周均在负载电阻RL上得到了利用,从而实现了全波整流,其工作波形与图8-7所示全波整流电路波形相同。

2.负压整流电路

以上整流电路得到的都是正电压,如果需要得到负电压,则可采用负压整流电路。负压整流电路同样具有半波整流、全波整流、桥式整流等电路形式。

(1)负压半波整流电路

负压半波整流电路如图8-10所示,与图8-2所示正电压的半波整流电路相比较,仅仅是将整流二极管VD反接即可。

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图8-10 负压半波整流电路

由于VD反接,因此只有在输入交流电压U2负半周时,VD才为正向使用而导通,电流I流向如图8-10中虚线箭头所示,在负载电阻RL上即可得到上负下正的输出电压Uo(即负电压输出)。

在输入交流电压U2正半周时,整流二极管VD因所加电压为反向电压而截止,负载电阻RL上因为无电流而无输出电压Uo。图8-11所示为负压半波整流电路工作波形图。

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图8-11 负压半波整流电路工作波形

(2)负压全波整流电路

将全波整流电路中的整流二极管VD1和VD2都反接,即为负压全波整流电路。交流电压U1负半周时电流为I1,交流电压U1正半周时电流为I2,如图8-12所示。负载电阻RL上得到的输出电压Uo为负电压(上负下正)。

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图8-12 负压全波整流电路

(3)负压桥式整流电路

将桥式整流电路中的4只整流二极管VD1、VD2、VD3、VD4全部反接,即为负压桥式整流电路,如图8-13所示。

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图8-13 负压桥式整流电路

交流电压U2正半周时,电流由U2上端经VD1、RL(从下到上)、VD4回到U2下端;交流电压U2负半周时,电流由U2下端经VD3、RL(从下到上)、VD2回到U2上端;负载电阻RL上得到的输出电压Uo为负电压(上负下正)。图8-14所示为负压全波(含桥式)整流电路工作波形图。

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图8-14 负压全波整流电路工作波形

3.滤波电路

整流电路输出的是直流脉动电压,其中含有大量的交流成分。滤波电路的作用就是将直流脉动电压中的交流成分滤除,以得到平滑实用的直流电压。

滤波电路有许多种类,例如电容滤波电路、电感滤波电路、倒L形LC滤波电路、π形LC滤波电路、RC滤波电路等,如图8-15所示。由于电感元件体积大、笨重,而且在负载电流突然变化时会产生较大的感应电动势,易造成半导体管的损坏,所以在实际电路中通常使用电容滤波电路和RC滤波电路。在一些要求较高的电路中,还使用有源滤波电路。

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图8-15 滤波电路

(1)电容滤波电路

电容滤波电路采用1只电容器滤波。如图8-16所示,T为电源变压器,VD1~VD4为整流二极管,C为滤波电容器,RL为负载电阻。

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图8-16 电容滤波电路

电容滤波电路是利用电容器的充放电原理工作的,其工作过程可用图8-17进行说明。Uo为整流电路输出的脉动电压,UC为滤波电路输出电压(即滤波电容C上电压)。

在t0时刻,UC=0V。t0~t1时刻,随着整流输出脉动电压Uo的上升,Uo>UC,整流二极管导通,Uo向滤波电容C充电,使C上电压UC迅速上升,充电电流为IC。同时,Uo向负载电阻RL供电,供电电流为IR,如图8-17(a)所示。

到t1时刻,C上电压UC=Uo,充电停止。t1~t2时刻,Uo处于下降和下一周期的上升阶段,但因为Uo

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图8-17 电容滤波原理

t2~t3时刻,Uo上升再次达到Uo>UC,整流二极管导通,Uo又开始向C充电,补充C上已放掉的电荷。

t3~t4时刻,Uo又处于Uo

从波形图可见,在起始的若干周期内,虽然滤波电容C时而充电、时而放电,但其电压UC的总趋势是上升的。经过若干周期以后,电路达到稳定状态,每个周期C的充、放电情况都相同,即C上充电得到的电荷刚好补充了上一次放电放掉的电荷。

正是通过电容器C的充、放电,输出电压UC才保持基本恒定,成为波动较小的直流电。滤波电容C的容量越大,滤波效果相对就越好。

电容滤波电路虽然很简单,但是滤波效果不是很理想,输出电压中仍有交流分量,因此实际电路中使用较多的是RC滤波电路。

(2)RC滤波电路

RC滤波电路中采用了2个滤波电容C1、C2和1个滤波电阻R1,组成π形状,如图8-18所示。RC滤波电路可看作是在C1电容滤波电路的基础上,再经过R1和C2的滤波而形成的,整个滤波电路的最终输出电压即为C2上的电压UC2。

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图8-18 RC滤波电路

R1和C2可看作是一个分压器,如图8-19所示,输出电压UC2等于C1上电压UC1经R1与C2分压后在C2上所得到的电压。

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图8-19 RC滤波电路原理图

对于C1初步滤波输出电压UC1中的直流分量来说,C2的容抗极大,几乎没有影响,输出端直流电压的大小取决于滤波电阻R1与负载电阻RL的比值,只要R1不是太大,就可保证RL得到绝大部分的直流输出电压。

对于UC1中的交流分量来说,C2的容抗很小,交流分量很大部分被旁路到地。因此,RC滤波电路输出直流电压的纹波很小。

(3)有源滤波电路

利用晶体管的直流放大作用可以构成有源滤波电路,如图8-20所示。VT1为有源滤波管。R1是偏置电阻,为VT1提供合适的偏置电流。C2是基极旁路电容,使VT1基极可靠地交流接地,确保基极电流中无交流成分。C3为输出端滤波电容。

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图8-20 有源滤波电路

有源滤波电路的工作原理是:虽然整流电路输出并加在VT1集电极的是脉动直流电压,其中既有直流分量也有交流分量,但晶体管的集电极-发射极电流主要受基极电流的控制,而受集电极电压变动的影响极微。由于C2的旁路滤波作用,VT1的基极电流中几乎没有交流分量,从而使VT1对交流分量呈现极高的阻抗,在其输出端(VT1发射极)得到的就是较纯净的直流电压(UC3)。

因为晶体管的发射极电流是基极电流的(1+β)倍,所以C2的作用相当于在输出端接入了一个容量为(1+β)倍C2容量的大滤波电容。有源滤波电路具有直流压降小、滤波效果好的特点,主要应用在滤波要求高的场合。

4.倍压整流电路

倍压整流电路可以使整流输出电压数倍于输入电压。在需要输出电压较高、输出电流较小的场合,可以采用倍压整流电路。

(1)2倍压整流电路

典型的2倍压整流电路如图8-21所示,它在空载时的输出直流电压是输入交流电压峰值的2倍。

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图8-21 2倍压整流电路

倍压整流电路是利用电容器充、放电原理实现倍压输出的,其工作原理如下。

在输入交流电压U2负半周时,整流二极管VD1导通,C1很快被充电至U2峰值,C1上电压UC1=√2U2,极性为左负右正,如图8-22(a)所示。

在输入交流电压U2正半周时,整流二极管VD1截止、VD2导通,U2与C1上电压UC1串联后经VD2向C2充电,C2上电压等于U2峰值与C1上电压UC1之和,即UC2=2√2U2,极性为上正下负,如图8-22(b)所示。UC2即为输出电压Uo,所以,负载电阻RL上得到的输出直流电压Uo是U2峰值的2倍。

(2)多倍压整流电路

根据2倍压整流电路原理可以构成多倍压整流电路,一般来讲,n倍压整流电路需要n个整流二极管和n个电容器。但是,倍压整流的倍数越高,电路的输出电流越小,即带负载能力越弱。

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图8-22 2倍压整流电路工作原理示意图

3倍压整流电路如图8-23所示,由3个整流二极管VD1~VD3和3个电容器C1~C3组成。在输入交流电压U2的第一个正半周期时,U2经VD1对C1充电至√2U2。在U2的第一个负半周期时,U2与C1上的电压串联后经VD2对C2充电至2√2U2。在U2的第二个正半周期时,VD3导通使C3也充电至2√2U2。因为输出电压Uo=UC1+UC3=3√2U2,所以在负载电阻RL上即可得到3倍于U2峰值的电压。

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图8-23 3倍压整流电路

4倍压整流电路如图8-24所示,由4个整流二极管VD1~VD4和4个电容器C1~C4组成,工作原理分析同3倍压整流电路。输出电压Uo=UC2+UC4=4√2U2,在负载电阻RL上可得到4倍于U2峰值的电压。

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图8-24 4倍压整流电路

按以上电路规律,还可以组成5倍压、6倍压甚至更多倍压的倍压整流电路。

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