小功率整流濾波電路

小功率整流濾波電路

整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件（常稱之為整流管）。

圖1表示一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波整流電路。圖中T為電源變壓器，將220V的電網(wǎng)電壓變換為合適的交流電壓，D為整流二極管，電阻RL代表需要用直流電源的負(fù)載。其工作原理為：在變壓器副邊電壓v2為正的半個(gè)周期內(nèi)，二極管正向?qū)?，電流?jīng)二極管流向負(fù)載，在RL上得到一個(gè)極性為上正下負(fù)的電壓；而在v2為負(fù)半周時(shí)，二極管反向截止，電流等于零。所以，在負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓vL的極性是單方向的，達(dá)到了整流的目的。

衡量整流電路性能的常用技術(shù)指標(biāo)有兩個(gè)：一個(gè)是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的，用整流輸出電壓的平均值來(lái)表示；另一個(gè)是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。此外，還有與選擇整流管有關(guān)的參數(shù)：流過(guò)整流管的平均電流和整流管的反向峰值電壓。

常見(jiàn)的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。

一、單相橋式整流電路

1、工作原理

單相橋式整流電路如圖1（a）所示，圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓vI變成整流電路要求的交流電壓 ，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管D1～D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。

單相橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，二極管用理想模型來(lái)處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。

在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖1（a）中實(shí)線箭頭表示。

在v2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)āｋ娏髁鬟^(guò)RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖1（a）中虛線箭頭所示。

綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑺膫€(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。

根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖2。由圖可見(jiàn)，通過(guò)負(fù)載RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。

橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。電路的缺點(diǎn)是二極管用得較多，但目前市場(chǎng)上已有整流橋堆出售，如QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的額定電流為2A，最大反向電壓為25V～1000V。故單相橋式整流電路常畫成圖1（b）所示的簡(jiǎn)化形式。

2、性能指標(biāo)

整流電路的性能常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量：一個(gè)是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的，用整流輸出電壓的平均值來(lái)表示；另一個(gè)是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。

（1）整流輸出電壓的平均值（即負(fù)載電阻上的直流電壓VL）

VL定義為整流輸出電壓vL 在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即

設(shè)變壓器副邊線圈的輸出電壓為 ，整流二極管是理想的。則根據(jù)橋式整流電路的工作波形，在vi 的正半周，vL = v2 ，且vL的重復(fù)周期為p ，所以

上式也可用其它方法得到，如用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)圖XX_01中vL的波形進(jìn)行分解后可得

式中恒定分量即為負(fù)載電壓vL的平均值，因此有

（2）紋波系數(shù)

由vL的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式可以看出，最低次諧波分量的幅值為 ，角頻率為電源頻率的兩倍，即2w。其他交流分量的角頻率為4w、6w…等偶次諧波分量。這些諧波分量總稱為紋波，它疊加于直流分量之上。常用紋波系數(shù)Kg 來(lái)表示直流輸出電壓中相對(duì)紋波電壓的大小，即

式中VLg為諧波電壓總的有效值，它表示為

所以可得出橋式整流電路的紋波系數(shù) 。由于vL中存在一定的紋波，故需用濾波電路來(lái)濾除紋波電壓。

3、整流元件參數(shù)

在選擇整流二極管時(shí)，主要考慮兩個(gè)參數(shù)，即最大整流電流和反向擊穿電壓。

在橋式整流電路中，二極管D1、D3和D2、D4是兩兩輪流導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為

在選擇整流管時(shí)應(yīng)保證其最大整流電流IF > ID 。

二極管在截止時(shí)管子兩端承受的最大反向電壓可以從橋式整流電路的工作原理中得出。在v2正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。此時(shí)D2、D4所承受的最大反向電壓均為v2的最大值，

即

同理，在v2的負(fù)半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。所以，在選擇整流管時(shí)應(yīng)取其反向擊穿電壓VBR > VRM 。

二、濾波電路

濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。常用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降你時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L，當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。

濾波電路的形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器C接在最前面，如圖1中的（a）、（c））和電感輸入式（電感器L接在最前面，如圖1中的（b））。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時(shí)僅用一電感器與負(fù)載串聯(lián)）。

1、工作原理

圖1為單相橋式整流、電容濾波電路。在分析電容濾波電路時(shí)，要特別注意電容器兩端電壓vC對(duì)整流元件導(dǎo)電的影響，整流元件只有受正向電壓作用時(shí)才導(dǎo)通，否則便截止。

負(fù)載RL未接入（開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)）時(shí)的情況：設(shè)電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)v2為正半周時(shí)，v2通過(guò)D1、D3向電容器C充電；v2為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)D2、D4向電容器C充電，充電時(shí)間常數(shù)為

其中Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管D的正向電阻。由于Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓v2的最大值 ，極性如圖1所示。由于電容器無(wú)放電回路，故輸出電壓（即電容器C兩端的電壓vC）保持在 ，輸出為一個(gè)恒定的直流，如圖2中wt0（即縱坐標(biāo)左邊）部分所示。

圖2

接入負(fù)載RL（開(kāi)關(guān)S合上）的情況：設(shè)變壓器副邊電壓v2從0開(kāi)始上升（即正半周開(kāi)始）時(shí)接入負(fù)載RL，由于電容器在負(fù)載未接入前充了電，故剛接入負(fù)載時(shí)v2 vC，二極管受反向電壓作用而截止，電容器C經(jīng)RL放電，放電的時(shí)間常數(shù)為

因td一般較大，故電容兩端的電壓vC按指數(shù)規(guī)律慢慢下降，其輸出電壓vL = vC，如圖2的ab段所示。與此同時(shí)，交流電壓v2按正弦規(guī)律上升。當(dāng)v2>vC時(shí)，二極管D1、D3受正向電壓作用而導(dǎo)通，此時(shí)v2經(jīng)二極管D1、D3一方面向負(fù)載RL提供電流，另一方面向電容器C充電（接入負(fù)載時(shí)的充電時(shí)間常數(shù)tc =( RL||Rint)C≈Rint C很?。?，vC將如圖2中的bc段，圖中bc段上的陰影部分為電路中的電流在整流電路內(nèi)阻Rint上產(chǎn)生的壓降。vC隨著交流電壓v2升高到接近最大值 。然后，v2又按正弦規(guī)律下降。當(dāng)v2 vC時(shí)，二極管受反向電壓作用而截止，電容器C又經(jīng)RL放電，vC波形如圖2中的cd段。電容器C如此周而復(fù)始地進(jìn)行充放電，負(fù)載上便得到如圖2所示的一個(gè)近似鋸齒波的電壓vL = vC，使負(fù)載電壓的波動(dòng)大為減小。

2、性能特點(diǎn)

由電容濾波電路的原理分析可知，電容濾波電路有如下特點(diǎn)：

（1）二極管的導(dǎo)電角qp，流過(guò)二極管的瞬時(shí)電流很大。電流的有效值和平均值的關(guān)系與波形有關(guān)，在平均值相同的情況下，波形越尖，有效值越大。在純電阻負(fù)載時(shí)，變壓器副邊電流的有效值I2 = 1.11IL，而有電容濾波時(shí)

（2）負(fù)載平均電壓VL升高，紋波（交流成分）減小，且RLC越大，電容放電速度越慢，則負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。

為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取

≥(3～5)

式中T為電源交流電壓的周期。

3）負(fù)載直流電壓隨負(fù)載電流增加而減小。VL隨IL的變化關(guān)系稱為輸出特性或外特性，如圖1所示。

C值一定，當(dāng) ，即空載時(shí)

當(dāng)C=0，即無(wú)電容時(shí)

在整流電路的內(nèi)阻不太大（幾歐）和放電時(shí)間常數(shù)滿足式 ≥(3～5) 的關(guān)系時(shí)，電容濾波電路的負(fù)載電壓VL與V2的關(guān)系約為

VL=(1.1～1.2)V2

總之，電容濾波電路簡(jiǎn)單，負(fù)載直流電壓VL較高，紋波也較小，它的缺點(diǎn)是輸出特性較差，故適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。

三、電感濾波

在橋式整流電路和負(fù)載電阻RL之間串入一個(gè)電感器L，如圖1所示。利用電感的儲(chǔ)能作用可以減小輸出電壓的紋波，從而得到比較平滑的直流。當(dāng)忽略電感器L的電阻時(shí)，負(fù)載上輸出的平均電壓和純電阻（不加電感）負(fù)載相同，即VL=0.9V2。

電感濾波的特點(diǎn)是，整流管的導(dǎo)電角較大（電感L的反電勢(shì)使整流管導(dǎo)電角增大），峰值電流很小，輸出特性比較平坦。其缺點(diǎn)是由于鐵心的存在，笨重、體積大，易引起電磁干擾。一般只適用于低電壓、大電流場(chǎng)合。

此外，為了進(jìn)一步減小負(fù)載電壓中的紋波，電感后面可再接一電容而構(gòu)成倒L型濾波電路或RC-Ⅱ型濾波電路。其性能和應(yīng)用場(chǎng)合分別與電感濾波（稱電感輸入式）電路及電容濾波（又稱電容輸入式）電路相似。

四、倍壓整流電路

圖1所示為一倍壓整流電路，變壓器副邊電壓v2= ，其工作原理為：

當(dāng)v2處于正半周（a端為正、b端為負(fù)）時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，v2向電容器C1充電，電壓極性為右正左負(fù)，峰值電壓可達(dá) ；

當(dāng)v2處于負(fù)半周（a端為負(fù)，b端為正）時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，v2+（電容器C1兩端電壓）向電容器C2充電，電壓極性為右正左負(fù)，峰值電壓為 ，即VO= ，故稱二倍壓整流。

此電路電容器C2的放電時(shí)間常數(shù)（=RLC2，RL為外接負(fù)載電阻）>>T，C1的耐壓大于 ，C2的耐壓應(yīng)大于。倍壓整流電路一般用于高電壓、小電流（幾毫安以下）的直流電源中。