电子电路基础 （8）——电源整流与滤波电路

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一、电源整流（非常重要）

1.1 简单电源电路原理

上图是直流电（DC）和交流电（AC）的电流随时间变化的波形。

1.2 简单电源电路的组成

1. 交流电源加在电源变压器上。
2. 变压器将不安全的电压变换为安全的所必需的交流电压，然后再加到整流电路上。
3. 整流电路利用二极管整流的作用，由交流获得单向脉动直流。
4. 滤波电路，即是对整流过来的脉动直流电，进行滤波、平滑，使之接近完美的直流电。
5. 稳压电路，即是防止负载和输入端电压变化时，保持输出电压的恒定。
6. 经稳压后将电源输出给负载。
    

1.2 半波整流滤波电路

1.2.1 二极管在电路中的开关作用

如上图（a）所示，a点接（+），b点接（-）的正向偏置一旦加上，二极管的电阻RD几乎为零。正向电流ID流通；
同样如图（b）所示，a点接（-），b点接（+），施加反向偏置的情况下，RD无限大，ID几乎为零。因此二极管可以看作为正偏导通成为ON，反偏断开成为OFF的开关。

补充说明：在电子电路中，将二极管的正极接正电，负极接负电，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。
 

1.2.2 二极管开关作用使得交流变直流

• 将二极管接入如上图所示电路中，在VD为正（①处为正电，②处为负电）的半周期中，二极管上加上正向偏置为ON，输出端出现VD，ID不为0，负载有电流通过。
• 而在VD为负（①处为负电，②处为正电）的半周期中，二极管被反向偏置为OFF，输出端VD变为0（图中用虚线表示了负半周期，表明负半周期输出是0）,ID为0，负载没有电流通过。

综上原理已知，由于只能利用交流输出的半个周期，所以称为 半波整流电路。
半波整流的特点：效率低、脉动系数（纹波因数）大。

注意：这个时候就是直流电啦，别看电流一会大一会小，已经确定是恒定的正向电压啦，只是时有时无罢了。
 

1.3 桥式全波整流滤波电路

前面半波整流已经得到直流电了，但是脉动系数还很大，利用率还很低。基于这2点，我们用一个二极管可以半波整流，用上两个二极管就可以全波整流，但是用的最多的还是四个二极管的桥式全波整流。
两个二极管的全波整流如下：

这张图利用以上所学可以分析出它是全波的，信号如下：

根据上述的，我这里不解释了。下面我们主要讲桥式整流。桥式整流电路如下：

很容易我们就能知道负载RL上的波形情况。整流过程如下：

那么整个周期负载上的信号和两个二极管的全波整流是一样的。

补充说明：在上图正半周期中，电流从负载RL流向D1和D3的交汇处时，最终选择了经过D3流向负极。这里假设正极是14V，那么电流流过D2和RL必然有压降，此时来到D1和D3的交汇处，假设此处电压9V，那么对D1来说不就是负极加正电，正极加负电嘛，而对D3来说它的正极是9V，它的负极是0V，电流肯定就从D3回到负极了。在上图负半周期中，同理，读者自己分析。

负载上就会得到如下的直流电：

 

二、电源滤波（非常重要）

仅用整流元件进行整流而得到的波形（桥式整流、全波整流），还是含有很多的波动成分，还不能作为直流电源使用。要把脉动直流电变成波形平滑的直流电，还需要在做一番“填平补齐”的工作。这便是滤波，换句话说滤波的任务就是把整流输出电压中的波动成分尽可能的减小，改造成接近恒稳的直流电。
利用某种元件（电容和电感）对交流、直流阻抗的不同，实现滤波，去除整流波的波动成分，使输出波形像直流一样平坦的电路称作滤波或平滑电路。
 

2.1 用电容和电感组成简单滤波电路

• 电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来（所以刚买到的电容是没电的，除非你充电了，电容很大，放电就慢）。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近峰值电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，知道完全消失。电容器的容量越大，负载的电阻值越大，充电和放电需要的时间越长，这种电容器两端电压不能突变的特性，正好用来承担滤波的任务。
• 电容器C对直流开路，对交流阻抗较小，（隔直流，通交流）所以C应该并联再负载两端（串联可不就断路了吗）。
   

2.1.1 利用电容充放电分析半波整流

如上图，是一个接入电容器之后的半波整流滤波电路。当二极管导通的时候，有2路电流，一路通过RL构成回路；一路对电容器进行充电（这里为什么可以进行充电，又为什么电容隔直流通交流）。当二极管截止或下降到一定电压的时候电容就开始放电，放电的时候电流从电容正极经过RL到达电源负极。
 
补充说明：电容器具有隔直流，通交流的功能。交流电的本身特性和电容器存储电荷的作用，使得交流电能顺利通过电容器，充当了一个临时电源的作用。而电容器不让直流电通过，那直流电为什么可以给电容充电？比如电池就是直流电就可以给电容充电，这是一个什么原理？电容器是由两个相互绝缘的金属导体组成，金属导体面积越大，距离越近电容量越大。电容量和中间绝缘体的介电常数有关。电容对直流电是绝缘的，直流电不能通过电容器。但没有带电的电容器在接通电路时，电路的电压加在电容器两个极板上，在两个极板产生电场，由于电场力的作用，使两个极板吸引电荷，当电荷产生的内电场和电路产生的外电场平衡时，电容器充电结束，电容器对于外电路呈现绝缘状态。由于交流电电压是变动的，电容器电场永远不会平衡，永远处于充放电状态，但电子没有通过绝缘体，只是在极板上变化。

言归正传，那么半波整流时再增加一个滤波电容，电路输出的波形如下：

当正半周期时，给电容器充电，充到峰值电压（如图蓝线① ~ ②），到达峰值电压后二极管截止了，电容开始放电（如图蓝线② ~ ③），电容还没有放完二极管又导通了，又进行充电（如图蓝线③ ~ ④），如此循环。蓝线就是负载上的波形了。这时已经平滑很多了

2.1.2 利用电感+电容分析半波整流

虽然使用电容简单滤波之后平滑很多，但是还是存在明显的凸的地方和凹的地方。因此还不是纯粹的直流电。还要再进一步过滤。这就是用电感通直流，阻交流的特性。

电感放到二极管的后面并且要与负载串联。

这样可以阻止交流成分（就是凹凸部分），只让可认为频率为0的直流成分通过。
在主板电路实际应用中，这种电感称作扼流圈，一般使用电感系数为10-30H左右的扼流圈。

2.1.3 利用电感通直流，阻交流的特性

也可以单独使用电感进行滤波，负载波形与电容是一样的。如下图：

• 电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时，电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用。
• 优点：整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。
• 缺点：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适应于低电压、大电流的场合。
   

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• 由 青梅煮久 写于 2021 年 04 月 28 日