整流電路中，如何把交流電路變成直流電

在電子電路中，大多數(shù)都是需要直流穩(wěn)壓電源來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，另一方面還要為信號(hào)的放大提供所需的能量。發(fā)電設(shè)備輸出的是交流電，對(duì)于小功率情況，要變成穩(wěn)定的直流電還需要通過(guò)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等幾個(gè)環(huán)節(jié)的處理。下面簡(jiǎn)單講講整流電路和濾波電路的一些工作原理和特點(diǎn)。

整流電路

所謂整流電路，就是把交流電路變成直流電。對(duì)于小功率情況，可以直接利用二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)實(shí)現(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(dòng)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(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波整流電路(假設(shè)負(fù)載為純電阻負(fù)載，理想二極管)。

工作原理：

當(dāng)V2處于正半周期時(shí)，二極管VD正向?qū)?，忽略二極管上的管壓降，輸出V0=V2。

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

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

2.再說(shuō)一個(gè)單相橋式整流電路。

工作原理：

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

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

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

橋式電路的特點(diǎn)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(diǎn)，而且對(duì)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(guò)濾波電路來(lái)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(shuō)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(gè)是全波整流，一個(gè)是半波整流。顯然對(duì)于全波，電容的放電時(shí)間更短，輸出波形更加平緩，濾波效果更好。電容濾波對(duì)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(fù)載RL無(wú)窮大時(shí)，電容沒(méi)有放電通路，其上電壓不會(huì)下降。隨著RL減小，放電時(shí)間也隨之下降。對(duì)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(jiǎn)單，負(fù)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(fù)載變化的影響較大，故適合在負(fù)載電壓均較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)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(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。

1、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。

2、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)?，電源電壓加到?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。

3、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。

圖1是最經(jīng)典的電路，優(yōu)點(diǎn)是可以在電阻R5上并聯(lián)濾波電容。

電阻匹配關(guān)系為R1=R2，R4=R5=2R3;可以通過(guò)更改R5來(lái)調(diào)節(jié)增益。

圖2優(yōu)點(diǎn)是匹配電阻少，只要求R1=R2。

圖3的優(yōu)點(diǎn)是輸入高阻抗，匹配電阻要求R1=R2，R4=2R3。

圖4的匹配電阻全部相等，還可以通過(guò)改變電阻R1來(lái)改變?cè)鲆?。缺點(diǎn)是在輸入信號(hào)的負(fù)半周，A1的負(fù)反饋由兩路構(gòu)成，其中一路是R5，另一路是由運(yùn)放A2復(fù)合構(gòu)成，也有復(fù)合運(yùn)放的缺點(diǎn)。

圖5和圖6要求R1=2R2=2R3，增益為1/2。

缺點(diǎn)是：當(dāng)輸入信號(hào)正半周時(shí)，輸出阻抗比較高，可以在輸出增加增益為2的同相放大器隔離。

另外一個(gè)缺點(diǎn)是正半周和負(fù)半周的輸入阻抗不相等，要求輸入信號(hào)的內(nèi)阻忽略不計(jì)。

圖7正半周，D2通，增益=1+(R2+R3)/R1;負(fù)半周增益=-R3/R2;要求正負(fù)半周增益的絕對(duì)值相等。

例如增益取2，可以選R1=30K，R2=10K，R3=20K。

圖8的電阻匹配關(guān)系為R1=R2。

圖9要求R1=R2，R4可以用來(lái)調(diào)節(jié)增益，增益等于1+R4/R2;如果R4=0，增益等于1;缺點(diǎn)是正負(fù)半波的輸入阻抗不相等，要求輸入信號(hào)的內(nèi)阻要小，否則輸出波形不對(duì)稱(chēng)。

圖10是利用單電源運(yùn)放的跟隨器的特性設(shè)計(jì)的，單電源的跟隨器，當(dāng)輸入信號(hào)大于0時(shí)，輸出為跟隨器;當(dāng)輸入信號(hào)小于0的時(shí)候，輸出為0。

使用時(shí)要小心單電源運(yùn)放在信號(hào)很小時(shí)的非線(xiàn)性。而且，單電源跟隨器在負(fù)信號(hào)輸入時(shí)也有非線(xiàn)性。

圖7、8、9三種電路，當(dāng)運(yùn)放A1輸出為正時(shí)，A1的負(fù)反饋是通過(guò)二極管D2和運(yùn)放A2構(gòu)成的復(fù)合放大器構(gòu)成的，由于兩個(gè)運(yùn)放的復(fù)合(乘積)作用，可能環(huán)路的增益太高，容易產(chǎn)生振蕩。

精密全波電路還有一些沒(méi)有錄入，比如高阻抗型還有一種把A2的同相輸入端接到A1的反相輸入端的，其實(shí)和這個(gè)高阻抗型的原理一樣，就沒(méi)有專(zhuān)門(mén)收錄，其它采用A1的輸出只接一個(gè)二極管的也沒(méi)有收錄，因?yàn)樵谶@個(gè)二極管截止時(shí)，A1處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。

結(jié)論

雖然這里的精密全波電路達(dá)十種，仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的并不多。確切地說(shuō)只有3種，就是前面的3種。

圖1的經(jīng)典電路雖然匹配電阻多，但是完全可以用6個(gè)等值電阻R實(shí)現(xiàn)，其中電阻R3可以用兩個(gè)R并聯(lián)?？梢酝ㄟ^(guò)R5調(diào)節(jié)增益，增益可以大于1，也可以小于1。最具有優(yōu)勢(shì)的是可以在R5上并電容濾波。

圖2的電路的優(yōu)勢(shì)是匹配電阻少，只要一對(duì)匹配電阻就可以了。

圖3的優(yōu)勢(shì)在于高輸入阻抗。

其它幾種，有的在D2導(dǎo)通的半周內(nèi)，通過(guò)A2的復(fù)合實(shí)現(xiàn)A1的負(fù)反饋，對(duì)有些運(yùn)放會(huì)出現(xiàn)自激。有的兩個(gè)半波的輸入阻抗不相等，對(duì)信號(hào)源要求較高。

兩個(gè)單運(yùn)放型雖然可以實(shí)現(xiàn)整流的目的，但是輸入/輸出特性都很差。需要輸入/輸出都加跟隨器或同相放大器隔離。

各個(gè)電路都有其設(shè)計(jì)特色，希望我們能從其電路的巧妙設(shè)計(jì)中，吸取有用的。例如單電源全波電路的設(shè)計(jì)，復(fù)合反饋電路的設(shè)計(jì)，都是很有用的設(shè)計(jì)思想和方法。

如果能把各個(gè)圖的電路原理分析并且推導(dǎo)每個(gè)公式，會(huì)有更大的收益，還有在唯樣商城選擇更優(yōu)質(zhì)的元器件。