整流電路中，如何把交流電路變成直流電

時間：2024-07-21 22:45:26

關(guān)鍵字：放大電路直流穩(wěn)壓電路

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[導(dǎo)讀]在放大電路中直流穩(wěn)壓一方面要為電路工作建立合適的靜態(tài)工作點，另一方面還要為信號的放大提供所需的能量。

在電子電路中，大多數(shù)都是需要直流穩(wěn)壓電源來進行驅(qū)動工作的。比如，在放大電路中直流穩(wěn)壓一方面要為電路工作建立合適的靜態(tài)工作點，另一方面還要為信號的放大提供所需的能量。發(fā)電設(shè)備輸出的是交流電，對于小功率情況，要變成穩(wěn)定的直流電還需要通過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等幾個環(huán)節(jié)的處理。下面簡單講講整流電路和濾波電路的一些工作原理和特點。

整流電路

所謂整流電路，就是把交流電路變成直流電。對于小功率情況，可以直接利用二極管的單向?qū)щ娦詠韺崿F(xiàn)整流。如果輸入的是正弦交流電，經(jīng)二極管整流后，輸出的是脈動的直流電，但這種直流電中也含有大量交流成分。

1.大致介紹一個最簡單的單相半波整流電路(假設(shè)負載為純電阻負載，理想二極管)。

工作原理：

當(dāng)V2處于正半周期時，二極管VD正向?qū)ǎ雎远O管上的管壓降，輸出V0=V2。

當(dāng)V2處于負半周期時，二極管VD反向截止，電路中沒有電流，輸出電壓V0=0。

綜上：在整個周期內(nèi)，二極管VD只在V2的正半周期導(dǎo)通，此時的輸出電壓跟隨輸入電壓變換;而在V2的負半周期沒有信號輸出。所以電路進行的是半波整流。

2.再說一個單相橋式整流電路。

工作原理：

當(dāng)V2處于正半周期時，二極管VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止，電流從上向下流過負載。

當(dāng)V2處于負半周期時，二極管VD2和VD4導(dǎo)通，VD1和VD3截止，電流仍然從上向下流過負載RL。

綜上，通過4只二極管分組的交替導(dǎo)通，在整個周期內(nèi)保證負載RL上都有同向電流流過，負載電壓的方向不變，因此電路進行全波整流。

橋式電路的特點就是全波整流電路，具有工作效率高、紋波小、二極管反向工作電壓低等優(yōu)點，而且對電源變壓器的要求不高，因此這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

濾波電路

整流電路輸入的是正弦交流電壓，輸出的是脈沖直流電壓，其中含有大量的交流成分，即紋波。所以脈沖直流還需要通過濾波電路來濾出其中的交流成分。濾波電路主要由電容元件和電感元件組成，分為電容濾波電路、電感濾波電路和復(fù)合濾波電路。

這里舉例說一下橋式整流電容濾波電路：

橋式整流電容濾波電路工作原理與半波整流電容濾波電路相似，不同的地方在于一個是全波整流，一個是半波整流。顯然對于全波，電容的放電時間更短，輸出波形更加平緩，濾波效果更好。電容濾波對于電路的影響在于加上電容濾波電路后，輸出波形變化平緩了，輸出電壓隨之升高，當(dāng)負載RL無窮大時，電容沒有放電通路，其上電壓不會下降。隨著RL減小，放電時間也隨之下降。對于全波整流電容濾波電路，其輸出特性就輸出電壓V0隨輸出電流的變化規(guī)律變化。

總之，電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單，負載獲得的直流電壓較高，紋波小，但其輸出特性較差，輸出直流電壓的大小受負載變化的影響較大，故適合在負載電壓均較高，負載變動不大的場合應(yīng)用。

基本電路：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)壓電路進行穩(wěn)壓，最終成為穩(wěn)定的直流電源。這個過程中的變壓、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。次級接上負載時，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2-3-1。

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

半波整流電路見圖2-3-2。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極管，R1是負載。B1次級是一個方向和大小隨時間變化的正弦波電壓，波形如圖 2-3-3(a)所示。0～π期間是這個電壓的正半周，這時B1次級上端為正下端為負，二極管D1正向?qū)?，電源電壓加到負載R1上，負載R1中有電流通過;π～2π期間是這個電壓的負半周，這時B1次級上端為負下端為正，二極管D1反向截止，沒有電壓加到負載R1上，負載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，這樣電源負半周的波形被“削”掉，得到一個單一方向的電壓，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間變化，我們稱其為脈動直流。

設(shè)B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負載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2-3-6。相對半波整流電路，全波整流電路多用了一個整流二極管D2，變壓器B1的次級也增加了一個中心抽頭。這個電路實質(zhì)上是將兩個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，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，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次級上端為負下端為正，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，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)上述過程，這樣電源正負兩個半周的電壓經(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，其波形如圖2-3-7(d)所示。

設(shè)B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負載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：

全波整流電路每個整流二極管上流過的電流只是負載電流的一半，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整流二極管。由于四個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。

由圖2-3-13可以看出在電源正半周時，B1次級上端為正，下端為負，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2-3-14可以看出在電源負半周時，B1次級下端為正，上端為負，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，其波形與全波整流時一致。

設(shè)B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負載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：

橋式整流電路每個整流二極管上流過的電流是負載電流的一半，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可以采用倍壓電路，見圖2-3-18。由圖 2-3-19可知，在電源的正半周，變壓器B1次級上端為正下端為負，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，方向為左端正右端負;由圖2-3-20可知，在電源的負半周，變壓器B1次級上端為負下端為正，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，方向為下端正上端負。由于負載R1與C1并聯(lián)，當(dāng)R1足夠大時，R1兩端的電壓即為接近2倍B1次級電壓。

二倍壓整流電路還有另外一種形式的畫法，見圖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展為n倍壓電路，具體電路見圖2-3-22。

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2-3-23，電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用。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，由于放電時間常數(shù)很大，所以放電速度很慢。在C1還沒有完全放電時再次開始進行充電。這樣通過電容C1的反復(fù)充放電實現(xiàn)了濾波作用。濾波電容C1兩端的電壓波形見圖2-3-24(b)。

選擇濾波電容時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2-3-26。電感濾波電路是利用電感對脈動直流的反向電動勢來達到濾波的作用，電感量越大濾波效果越好。電感濾波電路帶負載能力比較好，多用于負載電流很大的場合。

(3)RC濾波電路

使用兩個電容和一個電阻組成RC濾波電路，又稱π型RC濾波電路。見圖2-3-27所示。這種濾波電路由于增加了一個電阻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)遠小于R2。

(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載能力強的優(yōu)點。其電路圖見圖2-3-28。

(5)有源濾波電路

當(dāng)對濾波效果要求較高時，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，這時可以使用有源濾波電路。其電路形式見圖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是負載。這個電路實際上是通過三極管T1的放大作用，將C1的容量放大β倍，即相當(dāng)于接入一個(β+1)C1的電容進行濾波。

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選擇時要注意耗散功率PCM必須大于UCEI，如果工作時發(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。