變壓電路、整流電路、濾波電路詳解

一般直流穩(wěn)壓電源都使用220伏市電作為電源，經(jīng)過(guò)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(guò)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(méi)有這些電路對(duì)市電的前期處理，穩(wěn)壓電路將無(wú)法正常工作。

01變壓電路

通常直流穩(wěn)壓電源使用電源變壓器來(lái)改變輸入到后級(jí)電路的電壓。電源變壓器由初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和鐵芯組成。初級(jí)繞組用來(lái)輸入電源交流電壓，次級(jí)繞組輸出所需要的交流電壓。通俗的說(shuō)，電源變壓器是一種電→磁→電轉(zhuǎn)換器件。即初級(jí)的交流電轉(zhuǎn)化成鐵芯的閉合交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)切割次級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)。次級(jí)接上負(fù)載時(shí)，電路閉合，次級(jí)電路有交變電流通過(guò)。變壓器的電路圖符號(hào)見(jiàn)圖2－3－1。

02整流電路

經(jīng)過(guò)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(jí)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(jiàn)圖2－3－2。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極管，R1是負(fù)載。B1次級(jí)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 2－3－3（a）所示。0～π期間是這個(gè)電壓的正半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為正下端為負(fù)，二極管D1正向?qū)ǎ娫措妷杭拥截?fù)載R1上，負(fù)載R1中有電流通過(guò)；π～2π期間是這個(gè)電壓的負(fù)半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，二極管D1反向截止，沒(méi)有電壓加到負(fù)載R1上，負(fù)載R1中沒(méi)有電流通過(guò)。在 2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過(guò)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2－3－3（b）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(chēng)其為脈動(dòng)直流。

設(shè)B1次級(jí)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(lái)，這樣就有了全波整流電路。全波整流電路圖見(jiàn)圖2－3－6。相對(duì)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(jí)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(jí)上端為正下端為負(fù)，D1正向?qū)?，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓上端為正下端為負(fù)，其波形如圖2－3－7（b）所示，其電流流向如圖2－3－8所示；在π～2π期間B1次級(jí)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2－3－7（c）所示，其電流流向如圖2－3－9所示。在2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過(guò)程，這樣電源正負(fù)兩個(gè)半周的電壓經(jīng)過(guò)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2－3－7（d）所示。

設(shè)B1次級(jí)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(guò)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(lái)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(chēng)這種整流電路為橋式整流電路。

由圖2－3－13可以看出在電源正半周時(shí)，B1次級(jí)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(jí)上端經(jīng)過(guò)D4、R1、D2回到變壓器B1次級(jí)下端；由圖2－3－14可以看出在電源負(fù)半周時(shí)，B1次級(jí)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(jí)下端經(jīng)過(guò) D1、R1、D3回到變壓器B1次級(jí)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。

設(shè)B1次級(jí)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(guò)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(jiǎn)化成圖2－3－17的形式。

（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(jiàn)圖2－3－18。由圖 2－3－19可知，在電源的正半周，變壓器B1次級(jí)上端為正下端為負(fù)，D1導(dǎo)通，D2截止，C1通過(guò)D1充電，充電后C1兩端電壓接近B1次級(jí)電壓峰值，方向?yàn)樽蠖苏叶素?fù)；由圖2－3－20可知，在電源的負(fù)半周，變壓器B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，D1截止，D2導(dǎo)通，C2通過(guò)D1充電，充電后C2兩端電壓接近C1兩端電壓與B1次級(jí)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(jí)電壓。

二倍壓整流電路還有另外一種形式的畫(huà)法，見(jiàn)圖2－3－21，其原理與圖2－3－18完全一致，只是表現(xiàn)形式不一樣。

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(jiàn)圖2－3－22。

03濾波電路

交流電經(jīng)過(guò)整流后得到的是脈動(dòng)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(jiàn)圖2－3－23，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(dòng)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(dòng)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(méi)有完全放電時(shí)再次開(kāi)始進(jìn)行充電。這樣通過(guò)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(jiàn)圖2－3－24（b）。

選擇濾波電容時(shí)需要滿(mǎn)足下式的條件：

（2）電感濾波電路

電感濾波電路圖見(jiàn)圖2－3－26。電感濾波電路是利用電感對(duì)脈動(dòng)直流的反向電動(dòng)勢(shì)來(lái)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(chǎng)合。

（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(chēng)π型RC濾波電路。見(jiàn)圖2－3－27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(guò)大又會(huì)造成壓降過(guò)大，減小了輸出電壓。一般R1應(yīng)遠(yuǎn)小于R2。

（4）LC濾波電路

與RC濾波電路相對(duì)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(jiàn)圖2－3－28。

（5）有源濾波電路

當(dāng)對(duì)濾波效果要求較高時(shí)，可以通過(guò)增加濾波電容的容量來(lái)提高濾波效果。但是受電容體積限制，又不可能無(wú)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(jiàn)圖2－3－29，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(guò)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2－3－29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(jí)應(yīng)有電容濾波等濾波電路，否則無(wú)法正常工作。

04整流濾波電路總結(jié)

（1）常用整流電路性能對(duì)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(wú)源濾波電路性能對(duì)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

審核編輯：湯梓紅