电子电路基础 (8)——电源整流与滤波电路
时间:2022-09-22 05:00:01
一、电源整流(很重要)
1.1 电源电路原理简单
上图是直流电(DC)
和交流电(AC)
的电流
随时间
波形的变化。
1.2 构成简单的电源电路
- 在电源变压器上添加交流电源。
- 变压器将不安全的电压转换为安全所需的交流电压,然后加入整流电路。
- 通过交流获得单向脉动直流过交流获得单向脉动直流。
- 滤波电路是对整流脉动直流电进行滤波和平滑,使其接近完美的直流电。
- 稳压电路输入端电压发生变化时,稳压电路保持输出电压恒定。
- 电源在稳压后输出到负载。
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1.2 半波整流滤波电路
1.2.1 电路中二极管的开关功能
如上图(a)所示,a点接( ),b点接(-)的正向偏置
一旦增加,二极管的电阻RD
几乎为零。正电流ID
流通;
同样如图(b)所示,a点接(-),b点接( ),在施加反向偏置时,RD无限大,ID几乎为零二极管可视为正偏导ON,反偏断开成为OFF的开关
。
补充说明
:在电子电路中,将二极管的正极连接到正电,负极连接到负电,二极管将被导通这种连接方式称为正向偏置
。
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1.2.2 二极管开关的作用使交流变直流
- 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
)半周期,二极管
上加上正向偏置为ON
,输出端出现VD
,ID
不为0
,负载通过电流
。 - 而在
VD
为负
(①处为负电,②处为正电
)半周期,二极管
被反向偏置为OFF
,输出端VD变为0
(图中用虚线表示负半周期,表示负半周期输出为0),ID
为0
,负载没有电流通过
。
已知综合原理,因为只能使用交流输出的半个周期,所以被称为
半波整流电路
。
半波整流的特点
:脉动系数(纹波因数)效率低。
注:此时是直流电,虽然电流大小一段时间,时间,但已经确定是恒定的正向电压,但有时候有。
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1.3 桥式全波整流滤波电路
前半波整流已获得直流电,但脉动系数仍然很大,利用率仍然很低。基于这两点,我们使用它二极管可以半波整流
,用上两个二极管可以全波整流
,但最常用的还是桥式全波整流四个二极管
。
两个二极管的全波整流如下:
利用以上所学,本图可以分析为全波,信号如下:
根据以上情况,我在这里不解释。以下是桥式整流。桥式整流电路如下:
我们很容易知道负载RL波形状况。整流过程如下:
所以整个周期负载上的信号与两个二极管的全波整流相同。
补充说明
:在上图的正半周期中,电流从负载RL
流向D1
和D3
的交汇
最后,我选择了经过时间D3
假设正极是负极。14V
,然后电流流过D2
和RL
必然有压降
,此时来到D1
和D3
的交汇处
,假设这里的电压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
,电流必须从D3
回到负极
在上图的负半周期中,读者自己分析。
以下直流电将从负载中获得:
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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
),它仍然含有大量的波动成分不能
作为直流电源
使用。要把脉动直流电变成波形光滑的直流电,还需要做一些填平补齐
工作滤波
,换句话说滤波
的任务尽量减少整流输出电压中的波动成分,并将其转化为接近恒定的直流电
。
利用某种元件(电容
和电感
)不同的交流和直流阻抗实现滤波,去除整流波的波动成分输出波形像直流一样平坦的电路
称作滤波
或滑电路
。
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。
• 由 青梅煮久 写于 2021 年 04 月 28 日