电路识图10-整流电路、滤波电路原理分析

整流滤波电路原理分析

整流滤波电路是常用的单元电路之一。整流滤波电路的主要功能和作用是将交流电转变为直流电。使用最多的是电源整流电路，它将交流220V市电电源降压、整流、滤波为合适的直流电压，作为电子电路的工作电源，整流滤波电路通常由整流电路和滤波电路两部分组成。

一、整流电路

整流电路的关键问题是利用二极管的单向导电性，将交流电压变换成单相脉动电压。单相整流电路可分半波整流、全波整流、桥式整流、倍压整流等电路形式。由于半波整流电路只在电源的半个周期工作，电源利用率低，输出波形脉动较大，且电路简单，实际很少使用。

1、半波整流电路

半波整流电路是最简单、最基本的整流电路，如下图所示，由电源变压器T、整流二极管VD组成，RL是负载电阻。电源变压器T的初级线圈L1接交流电源电压（通常为交流220V市电），经过变压器T，在其次级线圈L2两端得到所需要的交流电压，再经二极管VD整流成为直流电压。半波整流电路的工作过程如下：

1） 在交流电压正半周时，U2的极性为上正下负，如下图a）所示。我们知道，二极管具有单向导电性，即电流只能从正极流向负极。U2正半周时，整流二极管VD是加的正向电压，因此VD导通，电流由U2的“+”经整流二极管VD、负载电阻RL回到U2的“-”，形成回路，并在电阻RL上产生电压降（即为输出电压），其极性为上正下负。

2） 在交流电压负半周时，U2的极性为上负下正，如下图b）所示。这时，整流二极管VD加的是反向电压，因此，VD截止，电流I=0，负载电阻RL上无电压降，输出电压为0。

半波整流电路工作波形如下图所示，从图中可见，半波整流电路只有在交流电压正半周时才有输出电压，负半周时无输出电压，输出电压的直流分量较少，交流分量较多。由于只利用了交流电压正弦波的一半，所以半波整流电路的效率较低。

2、全波整流电路

为了提高整流效率、减少输出电压的脉动分量，往往采用全波整流电路。全波整流电路实际上是两个半波整流电路的组合，电路如下图所示。

电源变压器T的次级绕组圈数为半波整流时的两倍，且中心抽头，分为L2与L3两个部分。电路中采用了两个整流二极管VD1和VD2。当电源变压器T初级线圈L1接入交流电源时，在次级线圈L2与L3上则分别产生两个大小相等、相位相反的交流电压。

1） 在交流电压正半周时，U2与U3均为上正下负，如下图a）所示，U2对于整流二极管VD1而言是正向电压，因此VD1导通，电流经VD1流过负载电阻RL，RL上电压为上正下负，而U3对于整流二极管VD2而言是反向电压，因此VD2截止。

2） 在交流电负半周时，U2与U3均为上负下正，如下图b）所示，这时，U2对于VD1而言是反向电压，因此VD1截止，U3对于VD2来说是正向电压，因此CD2导通，电流经VD2流过负载电阻RL，RL上的电压仍为上正下负。

综上所述，在交流电正半周期间，整流二极管VD1导通，由次级电压U2相负载电阻供电，在交流电压负半周期间，整流二极管VD2导通，由次级电压U3向负载电阻供电，由于U2与U3大小相等，相位相反，所以交流电压的正、负半周均在负载电阻上得到利用。全波整流电路波形如下图所示。从波形图可见，全波整流电路利用了输入交流电压的整个正弦波，因此其输出电流和输出电压的脉动频率为半波整流时的两倍，其中的直流分量也是半波整流时的两倍，整流效率大大提高。

3、桥式整流电路

全波整流的另一电路形式是桥式整流，电路如下图所示。桥式整流电路虽然需要四只整流二极管，但是电源变压器次级绕组不必绕两倍圈数，也不必有中心抽头，制作更为方便，因此得到了非常广泛的应用。

桥式整流电路工作过程如下：

1） 交流电压正半周时，电源变压器次级电压U2的极性为上正下负，四只整流二极管中，VD1，VD4因所加电压为反向电压而截至；VD2，VD3因所加电压为正向电压而导通，电流如下图a）所示，流过负载电阻，在负载电阻上产生电压降（即为输出电压），电压极性为上正下负。

2） 交流电压负半周时，电源变压器次级电压的极性为上负下正，四只整流管中，VD2，VD3因所加电压为反向电压而截至，VD1，VD4因所加电压为正向电压而导通，电流如下图b）所示流过负载电阻，在负载电阻上产生电压降（即为输出电压），电压极性仍为上正下负。

由于四只整流二极管巧妙的轮流工作，使得交流电压的正负半周均在负载电阻上得到了利用，从而实现了全波整流，其工作波形与全波整流电路波形相同。

二、滤波电路

整流电路输出的是直流脉动电压，这种脉动直流电中，不仅包含有直流成分，而且有交流成分，而我们需要的是直流分量，因此必须把脉动直流中的交流分量去掉。从阻抗观点看，电感线圈的直流电阻很小，而交流阻抗很大；电容器的直流电阻很大，而交流电阻很小。若结合起来就能很好地滤去交流分量，留下需要的直流量。这种组合就是滤波器，常用的滤波器有下面几种形式。必须用滤波电路滤除其交流成分后，才能得到平滑实用的直流电压。滤波电路由许多种类，如电容滤波电路、电感滤波电路、倒L型LC滤波电路，

由于电感元件体大笨重，而且在负载电流突然变换时会产生较大的感应电动势，易造成半导体管的损坏，所以在实际电路中通常使用电容滤波电路和RC滤波电路，在一些要求较高的电路中，还使用有源滤波电路。

1、电容滤波电路

电容滤波电路如下图所示，就是在负载两端并联一只电容组成。

电容滤波器的工作原理：利用了电容两端电压不能突变的特性。其工作过程可用如下图所示的示意图进行说明。U0为整流电路输出的脉动电压，Uc为滤波电路输出电压（即滤波电容C上的电压）。

从波形图可见，在起始的若干周期内，虽然滤波电容C时而充电、时而放电，但其电压Uc的总趋势是上升的。经过若干周期以后，电路达到稳定状态，每个周期电容C的充放电情况都相同，即电容C上充电得到的电荷刚好补充了上一次放电放掉的电荷。正是通过电容器C的充放电，使得输出电压保持基本恒定，成为波动较小的直流电。滤波电容的容量越大，滤波效果相对就越好。

电容滤波电路虽然很简单，但是滤波效果不是很理想，输出电压中仍有交流成分，因此实际电路中使用较多的是RC滤波电路。

2、电感滤波电路

如果要求负载电流较大时，输出电压仍较平稳，则采用电感滤波电路。电感滤波电路如下图所示。

电感线圈上的直流阻抗很小，所以脉动电压肿的直流分量很容易通过电感线圈，几乎全部到达负载。而电感对交流的阻抗很大，所以脉动电压中的交流分量很难通过电感线圈，由于电感和负载串联，对交流分量可看成是一个分压器，如果选择电感的感抗比负载大很多，那么，交流分量将大部分降在电感上，在负载上的交流分量就很小了。这样，就可以将原来脉动较大的直流输出变为较平稳的直流输出了。滤波后的波形如上图所示。

如果负载电阻一定，电感越大，输出电压波动越小，滤波效果越好。所以电感滤波一般用于负载变动不大，负载平均电流较大的场合。

3、复式滤波器

通过电容滤波或电感滤波，直流输出或多或少仍有波动。在要求较高的场合，为了得到更加平滑的直流可以采用复式滤波器

1）LC滤波器

电容滤波器适用于负载较大的场合，而电感滤波器适用于负载较小的场合，如果把这两种电路组合起来，就构成了如下图所示的滤波器，它对于一般负载都适用。

在LC滤波器中，脉动电压将经过双重滤波作用，使交流分量大部分被电感阻止，即使有小部分通过了电感，还要经过电容C的滤波作用使交流旁路，因此在负载上的交流分量很小，从而达到了滤除交流的目的。

2）LC-∏型滤波器电路

LC-∏型滤波器是由C型滤波器和LC滤波器组合而成的，滤波过程：交流电整流后先经C型滤波器滤波，然后再经LC滤波器滤波，所以该滤波电路的滤波性能比LC和C型滤波器都要优越，在负载上获得的电压将更平滑。

LC-∏型滤波器前面接有电容，所以这种滤波器的外形特征和电容滤波器相似。

3、RC滤波器

在有些场合，如果负载电流不大，为了减轻重量，降低成本，缩小体积，可将上面两个复式滤波器上的电感用一只电阻来代替，组成RC型滤波器和RC-∏型滤波器，如下图所示。

在RC滤波器中，电阻越大滤波效果越好，但电阻上压降损失也大。一般在小电流的场合，电阻通常取值几十到几百欧姆，电容取值几百微法。

4、有源滤波电路

利用晶体管的直流放大作用可以构成有源滤波电路，如下图所示。

图中VT1为有源滤波管，R1是偏置电阻，为VT1提供合适的偏置电流，C2是基极旁路电容，使VT1基极可靠的交流接地，确保基极电流中无交流成分，C3为输出端滤波电容。

晶体管的集电极-发射极电流主要受基极电流的控制，虽然整流电路输出并加在VT1集电极的是脉动直流电压，其中既有直流分量也有交流分量，但由于C2的旁路滤波作用，VT1的基极电流几乎没有交流分量，从而使VT1对交流呈现极高的阻抗，在其输出端（VT1发射极）得到的就是较纯净的直流电压。因为晶体管的发射极电流是基极电流的若干倍，所以C2的作用相当于在输出端接入了一个容量为若干倍C2容量的大滤波电容，有源滤波电路具有直流压降小，滤波效果好的特点，主要应用在滤波要求高的场合。

整流后需要加滤波电容，滤波电容的容量根据用电负荷的大小来选取，通常选用几十微法至几百微法。有些要求较高的直流电源，还需增设集成稳压器进行稳压，以取得纹波较小的高质量的稳压电源。滤波电容容量与负载电流的关系见下图，可根据输出电流选择滤波电容的大小。

其次要确定电容的耐压值，耐压直选小了，会因过电压而击穿，选大了会增加体积和成本，可按照下面公式确定电容的耐压值。