整流濾波電路原理分析

整流濾波電路是常用的單元電路之一。整流濾波電路的主要功能和作用是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。使用最多的是電源整流電路,，它將交?20V市電電源降壓、整流,、濾波為合適的直流電壓,，作為電子電路的工作電源,，整流濾波電路通常由整流電路和濾波電路兩部分組成,。

一,、整流電路

整流電路的關(guān)鍵問題是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟妷鹤儞Q成單相脈動(dòng)電壓,。單相整流電路可分半波整流,、全波整流、橋式整流,、倍壓整流等電路形式,。由于半波整流電路只在電源的半個(gè)周期工作，電源利用率低,，輸出波形脈動(dòng)較大,，且電路簡(jiǎn)單，實(shí)際很少使用,。

1,、半波整流電路

半波整流電路是最簡(jiǎn)單、最基本的整流電路,，如下圖所示,，由電源變壓器T、整流二極管VD組成,，RL是負(fù)載電阻,。電源變壓器T的初級(jí)線圈L1接交流電源電壓（通常為交流220V市電），經(jīng)過變壓器T,，在其次級(jí)線圈L2兩端得到所需要的交流電壓,，再經(jīng)二極管VD整流成為直流電壓。半波整流電路的工作過程如下：

1） 在交流電壓正半周時(shí),，U2的極性為上正下負(fù)，如下圖a）所示,。我們知道,，二極管具有單向?qū)щ娦裕措娏髦荒軓恼龢O流向負(fù)極,。U2正半周時(shí),，整流二極管VD是加的正向電壓，因此VD導(dǎo)通,，電流由U2的“+”經(jīng)整流二極管VD,、負(fù)載電阻RL回到U2的“-”，形成回路,，并在電阻RL上產(chǎn)生電壓降（即為輸出電壓）,，其極性為上正下負(fù)。

2） 在交流電壓負(fù)半周時(shí)，U2的極性為上負(fù)下正,，如下圖b）所示,。這時(shí)，整流二極管VD加的是反向電壓,，因此,，VD截止，電流I=0,，負(fù)載電阻RL上無電壓降,，輸出電壓為0。

半波整流電路工作波形如下圖所示,，從圖中可見，半波整流電路只有在交流電壓正半周時(shí)才有輸出電壓,，負(fù)半周時(shí)無輸出電壓,，輸出電壓的直流分量較少，交流分量較多,。由于只利用了交流電壓正弦波的一半,，所以半波整流電路的效率較低。

2,、全波整流電路

為了提高整流效率、減少輸出電壓的脈動(dòng)分量,，往往采用全波整流電路,。全波整流電路實(shí)際上是兩個(gè)半波整流電路的組合，電路如下圖所示,。

電源變壓器T的次級(jí)繞組圈數(shù)為半波整流時(shí)的兩倍，且中心抽頭,，分為L(zhǎng)2與L3兩個(gè)部分,。電路中采用了兩個(gè)整流二極管VD1和VD2。當(dāng)電源變壓器T初級(jí)線圈L1接入交流電源時(shí),，在次級(jí)線圈L2與L3上則分別產(chǎn)生兩個(gè)大小相等,、相位相反的交流電壓。

1） 在交流電壓正半周時(shí),，U2與U3均為上正下負(fù),，如下圖a）所示，U2對(duì)于整流二極管VD1而言是正向電壓,，因此VD1導(dǎo)通,，電流經(jīng)VD1流過負(fù)載電阻RL,，RL上電壓為上正下負(fù)，而U3對(duì)于整流二極管VD2而言是反向電壓,，因此VD2截止,。

2） 在交流電負(fù)半周時(shí)，U2與U3均為上負(fù)下正,，如下圖b）所示,，這時(shí)，U2對(duì)于VD1而言是反向電壓,，因此VD1截止，U3對(duì)于VD2來說是正向電壓,，因此CD2導(dǎo)通,，電流經(jīng)VD2流過負(fù)載電阻RL，RL上的電壓仍為上正下負(fù),。

綜上所述，在交流電正半周期間,，整流二極管VD1導(dǎo)通,，由次級(jí)電壓U2相負(fù)載電阻供電，在交流電壓負(fù)半周期間,，整流二極管VD2導(dǎo)通,，由次級(jí)電壓U3向負(fù)載電阻供電，由于U2與U3大小相等,，相位相反,，所以交流電壓的正、負(fù)半周均在負(fù)載電阻上得到利用,。全波整流電路波形如下圖所示,。從波形圖可見，全波整流電路利用了輸入交流電壓的整個(gè)正弦波,，因此其輸出電流和輸出電壓的脈動(dòng)頻率為半波整流時(shí)的兩倍,，其中的直流分量也是半波整流時(shí)的兩倍，整流效率大大提高,。

3、橋式整流電路

全波整流的另一電路形式是橋式整流,，電路如下圖所示,。橋式整流電路雖然需要四只整流二極管，但是電源變壓器次級(jí)繞組不必繞兩倍圈數(shù),，也不必有中心抽頭,，制作更為方便,，因此得到了非常廣泛的應(yīng)用。

橋式整流電路工作過程如下：

1） 交流電壓正半周時(shí),，電源變壓器次級(jí)電壓U2的極性為上正下負(fù)，四只整流二極管中,，VD1,，VD4因所加電壓為反向電壓而截至；VD2,，VD3因所加電壓為正向電壓而導(dǎo)通,，電流如下圖a）所示，流過負(fù)載電阻,，在負(fù)載電阻上產(chǎn)生電壓降（即為輸出電壓）,，電壓極性為上正下負(fù)。

2） 交流電壓負(fù)半周時(shí),，電源變壓器次級(jí)電壓的極性為上負(fù)下正,，四只整流管中，VD2,，VD3因所加電壓為反向電壓而截至,，VD1，VD4因所加電壓為正向電壓而導(dǎo)通,，電流如下圖b）所示流過負(fù)載電阻,，在負(fù)載電阻上產(chǎn)生電壓降（即為輸出電壓），電壓極性仍為上正下負(fù),。

由于四只整流二極管巧妙的輪流工作，使得交流電壓的正負(fù)半周均在負(fù)載電阻上得到了利用,，從而實(shí)現(xiàn)了全波整流,，其工作波形與全波整流電路波形相同。

二,、濾波電路

整流電路輸出的是直流脈動(dòng)電壓，這種脈動(dòng)直流電中,，不僅包含有直流成分,，而且有交流成分，而我們需要的是直流分量,，因此必須把脈動(dòng)直流中的交流分量去掉,。從阻抗觀點(diǎn)看，電感線圈的直流電阻很小,，而交流阻抗很大,；電容器的直流電阻很大,，而交流電阻很小。若結(jié)合起來就能很好地濾去交流分量,，留下需要的直流量,。這種組合就是濾波器，常用的濾波器有下面幾種形式,。必須用濾波電路濾除其交流成分后,，才能得到平滑實(shí)用的直流電壓。濾波電路由許多種類,，如電容濾波電路,、電感濾波電路、倒L型LC濾波電路,，

由于電感元件體大笨重,，而且在負(fù)載電流突然變換時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，易造成半導(dǎo)體管的損壞,，所以在實(shí)際電路中通常使用電容濾波電路和RC濾波電路，在一些要求較高的電路中,，還使用有源濾波電路,。

1,、電容濾波電路

電容濾波電路如下圖所示,，就是在負(fù)載兩端并聯(lián)一只電容組成。

電容濾波器的工作原理：利用了電容兩端電壓不能突變的特性,。其工作過程可用如下圖所示的示意圖進(jìn)行說明。U0為整流電路輸出的脈動(dòng)電壓,，Uc為濾波電路輸出電壓（即濾波電容C上的電壓）,。

從波形圖可見,，在起始的若干周期內(nèi),，雖然濾波電容C時(shí)而充電、時(shí)而放電,，但其電壓Uc的總趨勢(shì)是上升的,。經(jīng)過若干周期以后，電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),，每個(gè)周期電容C的充放電情況都相同,，即電容C上充電得到的電荷剛好補(bǔ)充了上一次放電放掉的電荷。正是通過電容器C的充放電,，使得輸出電壓保持基本恒定,，成為波動(dòng)較小的直流電,。濾波電容的容量越大，濾波效果相對(duì)就越好,。

電容濾波電路雖然很簡(jiǎn)單，但是濾波效果不是很理想,，輸出電壓中仍有交流成分,，因此實(shí)際電路中使用較多的是RC濾波電路。

2,、電感濾波電路

如果要求負(fù)載電流較大時(shí),，輸出電壓仍較平穩(wěn)，則采用電感濾波電路,。電感濾波電路如下圖所示,。

電感線圈上的直流阻抗很小,，所以脈動(dòng)電壓腫的直流分量很容易通過電感線圈,，幾乎全部到達(dá)負(fù)載。而電感對(duì)交流的阻抗很大,，所以脈動(dòng)電壓中的交流分量很難通過電感線圈,，由于電感和負(fù)載串聯(lián)，對(duì)交流分量可看成是一個(gè)分壓器,，如果選擇電感的感抗比負(fù)載大很多,，那么，交流分量將大部分降在電感上,，在負(fù)載上的交流分量就很小了,。這樣，就可以將原來脈動(dòng)較大的直流輸出變?yōu)檩^平穩(wěn)的直流輸出了,。濾波后的波形如上圖所示,。

如果負(fù)載電阻一定，電感越大,，輸出電壓波動(dòng)越小,，濾波效果越好。所以電感濾波一般用于負(fù)載變動(dòng)不大,，負(fù)載平均電流較大的場(chǎng)合,。

3、復(fù)式濾波器

通過電容濾波或電感濾波,，直流輸出或多或少仍有波動(dòng),。在要求較高的場(chǎng)合，為了得到更加平滑的直流可以采用復(fù)式濾波器

1）LC濾波器

電容濾波器適用于負(fù)載較大的場(chǎng)合,，而電感濾波器適用于負(fù)載較小的場(chǎng)合,，如果把這兩種電路組合起來,，就構(gòu)成了如下圖所示的濾波器，它對(duì)于一般負(fù)載都適用,。

在LC濾波器中，脈動(dòng)電壓將經(jīng)過雙重濾波作用,，使交流分量大部分被電感阻止,，即使有小部分通過了電感，還要經(jīng)過電容C的濾波作用使交流旁路,，因此在負(fù)載上的交流分量很小,，從而達(dá)到了濾除交流的目的。

2）LC-∏型濾波器電路

LC-∏型濾波器是由C型濾波器和LC濾波器組合而成的,，濾波過程：交流電整流后先經(jīng)C型濾波器濾波,，然后再經(jīng)LC濾波器濾波，所以該濾波電路的濾波性能比LC和C型濾波器都要優(yōu)越,，在負(fù)載上獲得的電壓將更平滑,。

LC-∏型濾波器前面接有電容，所以這種濾波器的外形特征和電容濾波器相似,。

3,、RC濾波器

在有些場(chǎng)合，如果負(fù)載電流不大,，為了減輕重量，降低成本,，縮小體積,，可將上面兩個(gè)復(fù)式濾波器上的電感用一只電阻來代替，組成RC型濾波器和RC-∏型濾波器,，如下圖所示,。

在RC濾波器中,，電阻越大濾波效果越好,，但電阻上壓降損失也大。一般在小電流的場(chǎng)合,，電阻通常取值幾十到幾百歐姆,，電容取值幾百微法。

4,、有源濾波電路

利用晶體管的直流放大作用可以構(gòu)成有源濾波電路，如下圖所示,。

圖中VT1為有源濾波管,，R1是偏置電阻，為VT1提供合適的偏置電流,，C2是基極旁路電容,，使VT1基極可靠的交流接地，確?；鶚O電流中無交流成分,，C3為輸出端濾波電容。

晶體管的集電極-發(fā)射極電流主要受基極電流的控制,，雖然整流電路輸出并加在VT1集電極的是脈動(dòng)直流電壓,，其中既有直流分量也有交流分量，但由于C2的旁路濾波作用,，VT1的基極電流幾乎沒有交流分量,，從而使VT1對(duì)交流呈現(xiàn)極高的阻抗，在其輸出端（VT1發(fā)射極）得到的就是較純凈的直流電壓,。因?yàn)榫w管的發(fā)射極電流是基極電流的若干倍,，所以C2的作用相當(dāng)于在輸出端接入了一個(gè)容量為若干倍C2容量的大濾波電容，有源濾波電路具有直流壓降小,，濾波效果好的特點(diǎn),，主要應(yīng)用在濾波要求高的場(chǎng)合。

整流后需要加濾波電容,，濾波電容的容量根據(jù)用電負(fù)荷的大小來選取,，通常選用幾十微法至幾百微法。有些要求較高的直流電源,，還需增設(shè)集成穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓,，以取得紋波較小的高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源。濾波電容容量與負(fù)載電流的關(guān)系見下圖,，可根據(jù)輸出電流選擇濾波電容的大小,。

其次要確定電容的耐壓值,，耐壓直選小了,，會(huì)因過電壓而擊穿，選大了會(huì)增加體積和成本,，可按照下面公式確定電容的耐壓值,。