我們已經(jīng)知道，人們普遍使用的市電是正弦波交流電，交流市電的特性是：有效值為220V，峰值等于有效值的√2 倍，頻率為50Hz，周期(T)是0.02s。交流電的波形如圖2-1所示。

圖2-1　交流電的特性波形圖

【提示】

頻率(f)與周期(T)的關(guān)系：T=1/f，其中，頻率是指1s內(nèi)正負(fù)極性交替變化的次數(shù)，周期是指正負(fù)極性變化1次所需要的時(shí)間。而有效值是指在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓值(如圖2-1中OACD所圍成的矩形面積)。

絕大多數(shù)電子設(shè)備使用的是低壓直流電，我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娫词?20V交流市電，由于電壓太高，不能直接供給這些電子設(shè)備。所以，交流市電必須要經(jīng)過(guò)降壓，再經(jīng)變換成為直流電才能用于電子設(shè)備。在電子設(shè)備中，將交流電壓(電流)變換為單向脈動(dòng)直流電壓(電流)的過(guò)程叫整流，通常稱(chēng)為AC-DC轉(zhuǎn)換。這是利用二極管的單向?qū)щ娞匦赃M(jìn)行轉(zhuǎn)換的，簡(jiǎn)單方便。下面簡(jiǎn)要分析整流濾波電路。

單相半波整流濾波電路

1.半波整流電路

半波整流電路主要由變壓器、整流二極管和負(fù)載組成。單相半波整流電路原理圖如圖2-2所示。

圖2-2　單相半波整流電路原理圖

圖2-2a中，T為電源變壓器，假定一次側(cè)接入220V交流市電電壓U1，利用變壓器的原理在二次側(cè)得到交流電壓U2(假定變壓器為降壓變壓器)，其波形如圖2-3a所示，正負(fù)極性、幅值隨時(shí)間變化而變化，U2為有效值，峰值為

U2。在U2的正半周期間，U2的上端為正，下端為負(fù)。二極管VD正向?qū)?，相?dāng)于開(kāi)關(guān)接通，如圖2-2b中，有電流流過(guò)二極管和負(fù)載RL，在負(fù)載上得到輸出電壓Uo=U2-0.7V≈U2，如圖2-3b中0～0.01s期間的波形。

圖2-3　半波整流在負(fù)載上得到的電壓電流波形圖

在U2的負(fù)半周期間U2變?yōu)樯县?fù)下正，二極管VD因反偏而截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，如圖2-2c中，沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載，即負(fù)載上的電壓Uo為0，如圖2-3b中0.01～0.02s期間。

由此可看出，半波整流只用了交流電的半個(gè)周期，而且負(fù)載有0.01s的缺電期，在負(fù)載上形成的平均電壓為Uo(AV)=0.45U2。

這里對(duì)半波整流電路是以交流電壓為例來(lái)說(shuō)明的，實(shí)際上，它也可以對(duì)脈沖電壓進(jìn)行整流，并且對(duì)脈沖電壓進(jìn)行整流在開(kāi)關(guān)電路中應(yīng)用較多。

2.濾波電路

從圖2-3可以看出，整流后在負(fù)載上得到的電壓呈間斷狀態(tài)，稱(chēng)為單向脈動(dòng)直流電(電流方向不變，總是自上而下流過(guò)負(fù)載)，大多數(shù)的電子設(shè)備在這樣的供電情況下還是不能正常工作，表現(xiàn)出來(lái)就是出現(xiàn)故障。為了給負(fù)載供給穩(wěn)定的直流電壓，還需要將脈沖直流電進(jìn)行濾波。

濾波的目的是要將脈沖直流電的脈動(dòng)成分削弱，使輸出電壓更加平穩(wěn)。濾波的方式主要有電容濾波、電感濾波、阻容濾波和π形濾波等方式。

(1)電容濾波

電容濾波的電路原理圖如圖2-4所示。

圖2-4　電容濾波電路圖

電容濾波電路，實(shí)際上就是在整流濾波的電路原理圖中的負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)電容器。下面我們分析一下增加電容器后工作情況有什么變化。

變壓器二次電壓U2波形如圖2-5a中虛線所示。當(dāng)U2處在第一個(gè)正半周的上升期(0～t1)時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，其電流向電容器充電，電容器上的電壓很快被充到U2的峰值。當(dāng)U2下降時(shí)，電容器上的電壓暫時(shí)保持在其峰值，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔儯远O管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電容器上的電壓通過(guò)負(fù)載緩慢放電，電壓漸漸降低，如圖2-5a中t1～t2期間波形所示。到達(dá)t2時(shí)，由于U2變到第二個(gè)正半周上升期并使二極管重新導(dǎo)通，再向電容器充電，電容器的電壓UC又隨U2升高，再次達(dá)到峰值，這樣重復(fù)下去得到如圖2-5a中的實(shí)線波形，它呈鋸齒波形或三角波形。其負(fù)載電壓UL的平均電壓大幅提高。

圖2-5　電容濾波波形圖

在U1發(fā)生突變(升高或降低)時(shí)，電容器兩端的電壓不會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)。當(dāng)U1突然升高時(shí)，U2整流后對(duì)電容器的充電電流加大，因?yàn)殡娙萜鲀啥穗妷翰荒芡蛔?，所以電容器上的電壓上升緩慢，削弱了浪涌電流?duì)負(fù)載的沖擊，還能起到保護(hù)負(fù)載的作用。同理，若U1突然下降，雖然U2也下降，但電容器上的充電電壓不能突然降低，它只能通過(guò)負(fù)載緩緩放電，從而使負(fù)載上的電壓也不會(huì)突然降低。

電容濾波過(guò)程中電壓的特點(diǎn)是：

1)輸出電壓沒(méi)有了間斷區(qū)，濾波后的直流電壓比無(wú)電容器時(shí)提高了，幾乎達(dá)到了U2的峰值。在實(shí)際中，由于電容器的放電及整流管內(nèi)阻等因素會(huì)使輸出電壓略低，它約等于U2。

2)C越大，RL越大，放電所引起的電壓下降就越小，輸出電壓略有提高。

3)濾波后的電壓呈鋸齒波形，用示波器可清楚地看到其波形。

4)由于電源電壓只在半個(gè)周期內(nèi)有輸出，電源利用率低，脈沖成分太大。

(2)電感濾波

電感濾波電路原理圖如圖2-6a所示。

由電感本身的物理特性可知，當(dāng)通過(guò)電感的原電流突然增大時(shí)，電感自身就產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向與增大的電流方向相反，兩者相抵消一部分，阻礙電流的突然增大;當(dāng)通過(guò)電感的原電流突然減小時(shí)，電感自身同樣能產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向與減小的方向相反，又阻礙電流的突然減小。這樣的特性使變化的電流不能通過(guò)電感線圈加到負(fù)載上，使負(fù)載上的電壓變化較緩，從而起到穩(wěn)壓的作用。

阻容濾波和π形濾波的電路形式如圖2-6b和d所示，它們的工作原理與上述兩種濾波電路原理很相似，請(qǐng)讀者自行分析。

圖2-6　濾波的幾種方式

從這幾種濾波方式的圖形可見(jiàn)，電容濾波簡(jiǎn)單，阻容濾波負(fù)載電流較小，電阻不能太大;電感濾波效果好，但電感體積較大，π形濾波效果最好。

單相全波整流濾波電路

由于半波整流存在輸出電壓脈動(dòng)大以及電源利用率低等缺點(diǎn)，因而實(shí)際應(yīng)用中常采用全波整流。其電路組成如圖2-7a所示。與半波整流不同的是，變壓器多了一個(gè)中間抽頭，其1～0線圈與0～2線圈匝數(shù)相等。

查看圖2-7a、b。輸入交流電壓U1為正半周時(shí)，變壓器二次感應(yīng)電壓U2分為U2a和U2b兩部分。U2a由變壓器二次1～0線圈產(chǎn)生，設(shè)極性為“1正0負(fù)”;U2b由變壓器二次0～2線圈產(chǎn)生，極性為“0正2負(fù)”。二極管VD1因正偏而導(dǎo)通(相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通)，電流自上而下流經(jīng)負(fù)載RL到變壓器中心抽頭0端;二極管VD2因反偏而截止(相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi))。當(dāng)輸入交流電壓U1為負(fù)半周時(shí)，變壓器二次感應(yīng)電壓極性為“1負(fù)0正”、“0正2負(fù)”，因而，VD1截止，VD2導(dǎo)通，電流還是自上而下流經(jīng)負(fù)載到中心抽頭0端。

圖2-7　單相全波整流濾波電路原理圖

當(dāng)交流電進(jìn)入下一個(gè)周期時(shí)，又重復(fù)上述過(guò)程。可見(jiàn)，交流電的正負(fù)半周使VD1與VD2輪流導(dǎo)通，在負(fù)載上總是得到自上而下的單向脈動(dòng)直流電流。與半波整流相比，它有效地利用了交流電的負(fù)半周。全波整流濾波波形如圖2-8所示。

圖2-8　全波整流濾波波形圖

由圖2-8分析可知，全波整流濾波電路的輸出電壓Uo比半波整流提高了一倍，且有

Uo=0.9U2

橋式整流及濾波電路

為了克服半波整流的缺點(diǎn)，實(shí)際電路中還常采用橋式整流及濾波電路。橋式整流及濾波電路原理圖如圖2-9所示。

圖2-9　橋式整流及濾波電路原理圖

從電路圖中可以看出，該電路用了四個(gè)整流二極管，其工作原理如下所述。

假設(shè)U2為變壓器二次交流電壓，在U2的正半周期期間，變壓器二次為上正下負(fù)，二極管VD1、VD3因正偏導(dǎo)通，電流由1端流出，經(jīng)VD1、RL和VD3回到變壓器2端，在負(fù)載上得到“上正下負(fù)”的電壓，此時(shí)，VD2和VD4因反向而截止，波形如圖2-10a所示。請(qǐng)讀者注意電流的方向和通路。

在U2的負(fù)半周期期間，變壓器二次為上負(fù)下正，二極管VD2、VD4導(dǎo)通，VD1、VD3截止，電流由2端流出，經(jīng)VD2、RL和VD4回到變壓器1端，在負(fù)載上得到的還是“上正下負(fù)”的電壓?？梢?jiàn)在U2的整個(gè)周期內(nèi)VD1、VD3工作半周，VD2、VD4工作半周，兩組輪流導(dǎo)通，在負(fù)載上總是得到“上正下負(fù)”的單向脈動(dòng)直流電壓，其波形變化如圖2-10b所示。

當(dāng)在負(fù)載兩端并接上電容器濾波時(shí)，其輸出電壓更加平穩(wěn)。其輸出電壓波形如圖2-10c中實(shí)線所示。

橋式整流及濾波電路的特點(diǎn)是脈動(dòng)減小、電源利用率提高。橋式整流電路的輸出電壓在無(wú)電容時(shí)約為0.9U2，橋式整流后的濾波電路同于單相濾波電路，濾波后的輸出電壓為Uo=√2U2。

圖2-10　橋式整流及濾波波形圖