電路識圖-整流電路-濾波電路原理解析

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變為直流電。使用最多的是電源整流電路，它將交流220V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

整流電路的關鍵問題是利用二極管的單向導電性，將交流電壓變換成單相脈動電壓。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周期工作，電源利用率低，輸出波形脈動較大，且電路簡單，實際很少使用。

1. 半波整流電路

半波整流電路是最簡單、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是負載電阻。電源變壓器T的初級線圈L1接交流電源電壓（通常為交流220V市電），經過變壓器T，在其次級線圈L2兩端得到所需要的交流電壓，再經二極管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，U2的極性為上正下負，如下圖a)所示。我們知道，二極管具有單向導電性，即電流只能從正極流向負極。U2正半周時，整流二極管VD是加的正向電壓，因此VD導通，電流由U2的“+”經整流二極管VD、負載電阻RL回到U2的“-”，形成回路，并在電阻RL上產生電壓降(即為輸出電壓)，其極性為上正下負。

2)在交流電壓負半周時，U2的極性為上負下正，如下圖b)所示。這時，整流二極管VD加的是反向電壓，因此，VD截止，電流I=0，負載電阻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才有輸出電壓，負半周時無輸出電壓，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分量，往往采用全波整流電路。全波整流電路實際上是兩個半波整流電路的組合，電路如下圖所示。

電源變壓器T的次級繞組圈數為半波整流時的兩倍，且中心抽頭，分為L2與L3兩個部分。電路中采用了兩個整流二極管VD1和VD2。當電源變壓器T初級線圈L1接入交流電源時，在次級線圈L2與L3上則分別產生兩個大小相等、相位相反的交流電壓。

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

2)在交流電負半周時，U2與U3均為上負下正，如下圖b)所示，這時，U2對于VD1而言是反向電壓，因此VD1截止，U3對于VD2來說是正向電壓，因此CD2導通，電流經VD2流過負載電阻RL，RL上的電壓仍為上正下負。

綜上所述，在交流電正半周期間，整流二極管VD1導通，由次級電壓U2相負載電阻供電，在交流電壓負半周期間，整流二極管VD2導通，由次級電壓U3向負載電阻供電，由于U2與U3大小相等，相位相反，所以交流電壓的正、負半周均在負載電阻上得到利用。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正弦波，因此其輸出電流和輸出電壓的脈動頻率為半波整流時的兩倍，其中的直流分量也是半波整流時的兩倍，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繞組不必繞兩倍圈數，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用。

橋式整流電路工作過程如下:

1)交流電壓正半周時，電源變壓器次級電壓U2的極性為上正下負，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通，電流如下圖a)所示，流過負載電阻，在負載電阻上產生電壓降(即為輸出電壓)，電壓極性為上正下負。

2)交流電壓負半周時，電源變壓器次級電壓的極性為上負下正，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通，電流如下圖b)所示流過負載電阻，在負載電阻上產生電壓降(即為輸出電壓)，電壓極性仍為上正下負。

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半周均在負載電阻上得到了利用，從而實現了全波整流，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電壓，這種脈動直流電中，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，因此必須把脈動直流中的交流分量去掉。從阻抗觀點看，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，而且在負載電流突然變換時會產生較大的感應電動勢，易造成半導體管的損壞，所以在實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，就是在負載兩端并聯一只電容組成。

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行說明。U0為整流電路輸出的脈動電壓，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，雖然濾波電容C時而充電、時而放電，但其電壓Uc的總趨勢是上升的。經過若干周期以后，電路達到穩定狀態，每個周期電容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，成為波動較小的直流電。濾波電容的容量越大，濾波效果相對就越好。

電容濾波電路雖然很簡單，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

如果要求負載電流較大時，輸出電壓仍較平穩，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，所以脈動電壓腫的直流分量很容易通過電感線圈，幾乎全部到達負載。而電感對交流的阻抗很大，所以脈動電壓中的交流分量很難通過電感線圈，由于電感和負載串聯，對交流分量可看成是一個分壓器，如果選擇電感的感抗比負載大很多，那么，交流分量將大部分降在電感上，在負載上的交流分量就很小了。這樣，就可以將原來脈動較大的直流輸出變為較平穩的直流輸出了。濾波后的波形如上圖所示。

如果負載電阻一定，電感越大，輸出電壓波動越小，濾波效果越好。所以電感濾波一般用于負載變動不大，負載平均電流較大的場合。

3、復式濾波器

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

1)LC濾波器

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

在LC濾波器中，脈動電壓將經過雙重濾波作用，使交流分量大部分被電感阻止，即使有小部分通過了電感，還要經過電容C的濾波作用使交流旁路，因此在負載上的交流分量很小，從而達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C型濾波器濾波，然后再經LC濾波器濾波，所以該濾波電路的濾波性能比LC和C型濾波器都要優越，在負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

在有些場合，如果負載電流不大，為了減輕重量，降低成本，縮小體積，可將上面兩個復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，確保基極電流中無交流成分，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對交流呈現極高的阻抗，在其輸出端(VT1發射極)得到的就是較純凈的直流電壓。因為晶體管的發射極電流是基極電流的若干倍，所以C2的作用相當于在輸出端接入了一個容量為若干倍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，主要應用在濾波要求高的場合。

整流后需要加濾波電容，濾波電容的容量根據用電負荷的大小來選取，通常選用幾十微法至幾百微法。有些要求較高的直流電源，還需增設集成穩壓器進行穩壓，以取得紋波較小的高質量的穩壓電源。濾波電容容量與負載電流的關系見下圖，可根據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，會因過電壓而擊穿，選大了會增加體積和成本，可按照下面公式確定電容的耐壓值。

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