標(biāo)題: 電源整流與濾波 [打印本頁(yè)]

作者: hujia    時(shí)間: 2014-11-8 15:32
標(biāo)題: 電源整流與濾波
基礎(chǔ)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)的磁力線切割次級(jí)線圈產(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)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)ǎ娫措妷杭拥絉1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。
4、整流濾波電路總結(jié)
(1)常用整流電路性能對(duì)照

電路名稱
每個(gè)原件承受的
最大反向電壓
每個(gè)原件的
平均電流
變壓器次級(jí)
電壓有效值
變壓器次級(jí)
電流有效值
半波整流
3.14U
I
2.221U+e
1.571I
全波整流
3.14U
0.5I
1.111U+e
0.786I
橋式整流
1.571U
0.5I
1.111U+2e
1.111I
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

電路名稱
濾波效果
輸出電壓
輸出電流
應(yīng)用特點(diǎn)
電容濾波
稍差
稍小
       結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于大容量濾波電容的廣泛使用,克服了濾波效果稍差的缺點(diǎn),廣泛用于各類電源電路。
電感濾波
較差
       電源電路中較少使用。
RC濾波
較好
較高
       常用于電子管收音機(jī)電路和各種高低頻退耦電路。
LC濾波
很好
稍小
       電源電路中較少使用。

(3)電容濾波電路輸出電流大小與濾波電容量的關(guān)系

輸出電流
(A)
2
1
0.5~1
0.1~0.5
0.05~1
0.05
電容量
(μF)
4000
2000
1000
500
200~500
200

(4)常用整流濾波電路計(jì)算表

電路名稱
(均使用電容濾波)
輸入交流電壓
(有效值)
負(fù)載開(kāi)路時(shí)輸出
電壓
帶負(fù)載時(shí)輸出電壓(估計(jì)值)
每個(gè)二極管的最大反向電壓
每個(gè)二極管通過(guò)的電流
需要使用的二極管數(shù)量
半波整流
E
1.414E
E
2.828E
I
1
全波整流
2E
1.414E
1.2E
2.828E
0.5I
2
橋式整流
E
1.414E
1.2E
1.414E
0.5I
4
二倍壓
E
2.828E
2E
2.828E
I
2

作者: yyty    時(shí)間: 2015-3-26 22:48
講的很詳細(xì),明了!謝謝樓主老師!受教了!
作者: 智海    時(shí)間: 2015-5-19 10:29
謝謝 講的非常不錯(cuò)
作者: gxw471274959    時(shí)間: 2015-5-28 20:48
很好的一個(gè)帖子,很實(shí)用。
作者: 好麻煩    時(shí)間: 2015-6-12 06:29
好貼,學(xué)習(xí)了,收獲大大的。
作者: 寒門癡子    時(shí)間: 2016-4-6 19:42
真好,謝謝。
作者: pcbaby    時(shí)間: 2016-4-8 00:21
留個(gè)足跡,方便以后查看
作者: pcbaby    時(shí)間: 2016-4-8 00:26
牛逼,你們好
作者: pcbaby    時(shí)間: 2016-4-8 00:27
好東西,受教了
作者: 天然卷2    時(shí)間: 2016-7-12 18:52
謝謝
作者: 雙贏電子    時(shí)間: 2016-7-31 20:42
樓主講的很詳細(xì)一些忽律的基礎(chǔ)知識(shí)都講到了學(xué)習(xí)了,辛苦樓主了。
作者: sxz538    時(shí)間: 2016-8-12 16:50
好帖收藏
作者: sxp007    時(shí)間: 2016-9-1 00:28
講的太詳細(xì)了,樓主辛苦了
作者: 18815802072    時(shí)間: 2016-10-9 20:57
附件為親戚3符合符合
作者: 18815802072    時(shí)間: 2016-10-9 20:58
 講的很詳細(xì),明了!謝謝樓主老師!受教了!
作者: mickeyeva2    時(shí)間: 2016-11-15 16:12
感謝老師分享。
作者: ZHANGJINGYU    時(shí)間: 2016-12-7 12:38
謝謝樓主了!超詳細(xì)!可否再講一講扼流圈濾波方面的知識(shí)呢?
作者: yc0222mm    時(shí)間: 2016-12-8 13:53
非常感謝  有用
作者: 包頭02    時(shí)間: 2016-12-9 20:16
好東西啊
作者: liuyishuai    時(shí)間: 2016-12-27 18:11
非常好,
新人普及
作者: janmes98    時(shí)間: 2017-2-11 10:33
簡(jiǎn)潔明了 適合新人學(xué)習(xí)
作者: raymondau    時(shí)間: 2017-4-3 14:39
講解非常詳細(xì),而且容易明白,好評(píng)!
作者: 13121883334    時(shí)間: 2017-4-5 10:02
內(nèi)容非常詳細(xì),圖文并茂。
作者: 13121883334    時(shí)間: 2017-4-5 10:02
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作者: HUANGHFS    時(shí)間: 2017-5-8 22:26
講解非常詳細(xì),內(nèi)容非常詳細(xì),圖文并茂。
作者: EVOLVINGINS    時(shí)間: 2017-5-31 14:19
大大的學(xué)習(xí)啦!!
作者: 2017夢(mèng)在遠(yuǎn)方    時(shí)間: 2017-8-31 11:05
說(shuō)得很詳細(xì),辛苦樓主了
作者: zjzhydz791x    時(shí)間: 2017-9-27 08:30
學(xué)習(xí)了,樓主辛苦
作者: sldx    時(shí)間: 2017-9-27 19:53
學(xué)習(xí)了,謝謝分享
作者: 奧巴牛讀書(shū)    時(shí)間: 2017-10-19 20:39
樓主老師講的很精彩,有個(gè)問(wèn)題請(qǐng)教一下:電容濾波電路輸出電流大小與濾波電容量的關(guān)系表中    和電容的額定電壓有怎么樣的關(guān)系?




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