電源電路中變壓、整流、濾波電路詳解

基礎(chǔ)電路

一般直流穩(wěn)壓電源都使用220伏市電作為電源，經(jīng)過變壓、整流、濾波后輸送給穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，最終成為穩(wěn)定的直流電源。這個(gè)過程中的變壓、整流、濾波等電路可以看作直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)電路，沒有這些電路對市電的前期處理，穩(wěn)壓電路將無法正常工作。

1、變壓電路

通常直流穩(wěn)壓電源使用電源變壓器來改變輸入到后級電路的電壓。電源變壓器由初級繞組、次級繞組和鐵芯組成。初級繞組用來輸入電源交流電壓，次級繞組輸出所需要的交流電壓。通俗的說，電源變壓器是一種電→磁→電轉(zhuǎn)換器件。即初級的交流電轉(zhuǎn)化成鐵芯的閉合交變磁場，磁場的磁力線切割次級線圈產(chǎn)生交變電動勢。次級接上負(fù)載時(shí)，電路閉合，次級電路有交變電流通過。變壓器的電路圖符號見圖1。

圖1變壓器電路圖符號

2、整流電路

經(jīng)過變壓器變壓后的仍然是交流電，需要轉(zhuǎn)換為直流電才能提供給后級電路，這個(gè)轉(zhuǎn)換電路就是整流電路。在直流穩(wěn)壓電源中利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電特性，將方向變化的交流電整流為直流電。

（1）半波整流電路

半波整流電路見下圖。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極管，R1是負(fù)載。B1次級是一個(gè)方向和大小隨時(shí)間變化的正弦波電壓，波形如圖2所示。0～π期間是這個(gè)電壓的正半周，這時(shí)B1次級上端為正下端為負(fù)，二極管D1正向?qū)?，電源電壓加到?fù)載R1上，負(fù)載R1中有電流通過；π～2π期間是這個(gè)電壓的負(fù)半周，這時(shí)B1次級上端為負(fù)下端為正，二極管D1反向截止，沒有電壓加到負(fù)載R1上，負(fù)載R1中沒有電流通過。在 2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過程，這樣電源負(fù)半周的波形被“削”掉，得到一個(gè)單一方向的電壓，波形如圖3所示。由于這樣得到的電壓波形大小還是隨時(shí)間變化，我們稱其為脈動直流。

圖2半波整流電路圖

圖3半波整流波形圖

設(shè)B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1承受的反向峰值電壓為：

由于半波整流電路只利用電源的正半周，電源的利用效率非常低，所以半波整流電路僅在高電壓、小電流等少數(shù)情況下使用，一般電源電路中很少使用。

（2）全波整流電路

由于半波整流電路的效率較低，于是人們很自然的想到將電源的負(fù)半周也利用起來，這樣就有了全波整流電路。全波整流電路圖見圖4。相對半波整流電路，全波整流電路多用了一個(gè)整流二極管D2，變壓器B1的次級也增加了一個(gè)中心抽頭。這個(gè)電路實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)半波整流電路組合到一起。在0～π期間B1次級上端為正下端為負(fù)，D1正向?qū)ǎ娫措妷杭拥絉1上，R1兩端的電壓上端為正下端為負(fù)，其波形如圖5所示，其電流流向如圖6所示；在π～2π期間B1次級上端為負(fù)下端為正，D2正向?qū)?，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓還是上端為正下端為負(fù)，其波形如圖5所示，其電流流向如圖7所示。在2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過程，這樣電源正負(fù)兩個(gè)半周的電壓經(jīng)過D1、D2整流后分別加到R1兩端，R1上得到的電壓總是上正下負(fù)，其波形如圖5所示。

圖4全波整流電路圖

圖5全波整流波形圖

圖6全波整流電路電流流向圖

圖7全波整流電路電流流向圖

設(shè)B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：

全波整流電路每個(gè)整流二極管上流過的電流只是負(fù)載電流的一半，比半波整流小一倍。

（3）橋式整流電路

由于全波整流電路需要特制的變壓器，制作起來比較麻煩，于是出現(xiàn)了一種橋式整流電路。這種整流電路使用普通的變壓器，但是比全波整流多用了兩個(gè)整流二極管。由于四個(gè)整流二極管連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。

圖8橋式整流電路圖

由圖9可以看出在電源正半周時(shí)，B1次級上端為正，下端為負(fù)，整流二極管D4和D2導(dǎo)通，電流由變壓器B1次級上端經(jīng)過D4、R1、D2回到變壓器B1次級下端；由圖10可以看出在電源負(fù)半周時(shí)，B1次級下端為正，上端為負(fù)，整流二極管D1和D3導(dǎo)通，電流由變壓器B1次級下端經(jīng)過 D1、R1、D3回到變壓器B1次級上端。R1兩端的電壓始終是上正下負(fù)，其波形與全波整流時(shí)一致。

圖9橋式整流電路電流流向圖

圖10橋式整流電路電流流向圖

設(shè)B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：

橋式整流電路每個(gè)整流二極管上流過的電流是負(fù)載電流的一半，與全波整流相同。

通常情況下橋式整流電路都簡化成圖11的形式。

圖11橋式整流簡化電路圖

（4）倍壓整流電路

前面介紹的三種整流電路輸出電壓都小于輸入交流電壓的有效值，如果需要輸出電壓大于輸入交流電壓有效值時(shí)可以采用倍壓電路，見圖12。由圖13可知，在電源的正半周，變壓器B1次級上端為正下端為負(fù)，D1導(dǎo)通，D2截止，C1通過D1充電，充電后C1兩端電壓接近B1次級電壓峰值，方向?yàn)樽蠖苏叶素?fù)；由圖14可知，在電源的負(fù)半周，變壓器B1次級上端為負(fù)下端為正，D1截止，D2導(dǎo)通，C2通過D1充電，充電后C2兩端電壓接近C1兩端電壓與B1次級電壓峰值之和，方向?yàn)橄露苏隙素?fù)。由于負(fù)載R1與C1并聯(lián)，當(dāng)R1足夠大時(shí)，R1兩端的電壓即為接近2倍B1次級電壓。

圖12二倍壓整流電路圖

圖13二倍壓整流電流流向圖

圖14二倍壓整流電流流向圖

二倍壓整流電路還有另外一種形式的畫法，見圖15，其原理與圖12完全一致，只是表現(xiàn)形式不一樣。

圖15二倍壓整流電路圖（另一種形式）

二倍壓電路還可以很容易的擴(kuò)展為n倍壓電路，具體電路見圖16。

圖16 n倍壓整流電路圖

3、濾波電路

交流電經(jīng)過整流后得到的是脈動直流，這樣的直流電源由于所含交流紋波很大，不能直接用作電子電路的電源。濾波電路可以大大降低這種交流紋波成份，讓整流后的電壓波形變得比較平滑。

（1）電容濾波電路

電容濾波電路圖見圖17，電容濾波電路是利用電容的充放電原理達(dá)到濾波的作用。在脈動直流波形的上升段，電容C1充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很小，所以充電速度很快；在脈動直流波形的下降段，電容C1放電，由于放電時(shí)間常數(shù)很大，所以放電速度很慢。在C1還沒有完全放電時(shí)再次開始進(jìn)行充電。這樣通過電容C1的反復(fù)充放電實(shí)現(xiàn)了濾波作用。濾波電容C1兩端的電壓波形見圖18。

圖17 電容濾波電路

圖18 電容濾波電路波形圖

選擇濾波電容時(shí)需要滿足下式的條件：

（2）電感濾波電路

電感濾波電路圖見圖19。電感濾波電路是利用電感對脈動直流的反向電動勢來達(dá)到濾波的作用，電感量越大濾波效果越好。電感濾波電路帶負(fù)載能力比較好，多用于負(fù)載電流很大的場合。

圖19 電感濾波電路

（3）RC濾波電路

使用兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成RC濾波電路，又稱π型RC濾波電路。見圖20所示。這種濾波電路由于增加了一個(gè)電阻R1，使交流紋波都分擔(dān)在R1上。R1和C2越大濾波效果越好，但R1過大又會造成壓降過大，減小了輸出電壓。一般R1應(yīng)遠(yuǎn)小于R2。

圖20 RC濾波電路

（4）LC濾波電路

與RC濾波電路相對的還有一種LC濾波電路，這種濾波電路綜合了電容濾波電路紋波小和電感濾波電路帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其電路圖見圖21。

圖21?LC濾波電路

（5）有源濾波電路

當(dāng)對濾波效果要求較高時(shí)，可以通過增加濾波電容的容量來提高濾波效果。但是受電容體積限制，又不可能無限制增大濾波電容的容量，這時(shí)可以使用有源濾波電路。其電路形式見圖22，其中電阻R1是三極管T1的基極偏流電阻，電容C1是三極管T1的基極濾波電容，電阻R2是負(fù)載。這個(gè)電路實(shí)際上是通過三極管T1的放大作用，將C1的容量放大β倍，即相當(dāng)于接入一個(gè)（β+1）C1的電容進(jìn)行濾波。

圖22 有源濾波電路

圖22中，C1可選擇幾十微法到幾百微法；R1可選擇幾百歐到幾千歐，具體取值可根據(jù)T1的β值確定，β值高，R可取值稍大，只要保證T1的集電極－發(fā)射極電壓（UCE）大于1.5V即可。T1選擇時(shí)要注意耗散功率PCM必須大于UCEI，如果工作時(shí)發(fā)熱較大則需要增加散熱片。

有源濾波電路屬于二次濾波電路，前級應(yīng)有電容濾波等濾波電路，否則無法正常工作。

4、整流濾波電路總結(jié)

（1）常用整流電路性能對照

注：U為負(fù)載兩端電壓值；I為負(fù)載上電流值；e為整流二極管壓降，一般取0.7V。

（2）常用無源濾波電路性能對照

（3）電容濾波電路輸出電流大小與濾波電容量的關(guān)系

（4）常用整流濾波電路計(jì)算表

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