整流濾波電路橋式整流濾波電路

整流濾波電路橋式整流濾波電路一：［整流濾波電路］幾種濾波整流電路的介紹總結(jié)（一）一、 有源濾波電路為了提高濾波效果，解決n型RC濾波電路中交、直流分量對(duì)R的要求相互矛盾的問題，在RC電路中增加了有源器件-晶體管，形成了RC有源濾波電路。常見的RC有源濾波電路如圖Z0716所示，它實(shí)質(zhì)上是由C1、Rb、C2組成的n型RC濾波電路與晶體管T組成的射極輸出器聯(lián)接而成的電路。該電路的優(yōu)點(diǎn)是：1.濾波電阻Rb接于晶體管的基極回路，兼作偏置電阻，由于流過Rb的電流入很小，為輸出電流Ie的1/（1+6），故Rb可取較大的值（一般為幾十kQ），既使紋波得以較大的降落，又不使直流損失太大。2.濾波電容C2接于晶體管的基極回路，便可以選取較小的電容，達(dá)到較大電容的濾波效果，也減小了電容的體積，便于小型化。如圖中接于基極的電容C2折合到發(fā)射極回路就相當(dāng)于（1+6）C2的電容的濾波效果（因ie=（1+6）ib之故）。3.由于負(fù)載凡接于晶體管的射極，故RL上的直流輸出電壓UE-UB，即基本上同RC無源濾波輸出直流電壓相等。這種濾波電路濾波特性較好，廣泛地用于一些小型電子設(shè)備之中。二、 復(fù)式濾波電路復(fù)式濾波電路常用的有LC「型、LCn型和RCn型3種形式，如圖Z0715所示。它們的電路組成原則是，把對(duì)交流阻抗大的元件（如電感、電阻）與負(fù)載串聯(lián)，以降落較大的紋波電壓，而把對(duì)交流阻抗小的元件（如電容）與負(fù)載并聯(lián)，以旁路較大的紋波電流。其濾波原理與電容、電感濾波類似，這里僅介紹RCn型濾波。圖Z0715（c）為RCn型濾波電路，它實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級(jí)RC濾波電路組成的。其濾波原理可以這樣解釋：經(jīng)過電容C1濾波之后，C1兩端的電壓包含一個(gè)直流分量與交流分量，作為RC2濾波的輸入電壓。對(duì)直流分量而言，C2可視為開路，RL上的輸出直流電壓為：對(duì)于交流分量而言，其輸出交流電壓為：若滿足條件則有由式可見，R愈小，輸出的直流分量愈大；由式可見，RC2愈大，輸出的交流分量愈小。濾波效果愈好。所以R受兩方面的制約，只能兼顧選擇。這種濾波電路較單電容濾波效果好，、但也只適用于負(fù)載電流不大的場(chǎng)合。三、電感濾波電路帶電感濾波的全波整流電路如圖Z0713所示。濾波元件L串在整流輸出與負(fù)載RL之間（電感濾波一般不與半波整流搭配）。其濾波原理可用電磁感應(yīng)原理來解釋。當(dāng)電感中通過交變電流時(shí)，電感兩端便產(chǎn)生出一反電勢(shì)阻礙電流的變化：當(dāng)電流增大時(shí)，反電勢(shì)會(huì)阻礙電流的增大，并將一部分能量以磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來；當(dāng)電流減小時(shí)，反電勢(shì)會(huì)阻礙電流的減小，電感釋放出儲(chǔ)存的能量。這就大大減小了輸出電流的變化，使其變得平滑，達(dá)到了濾波目的。當(dāng)忽略L的直流電阻時(shí)，RL上的直流電壓UL與不加濾波時(shí)負(fù)載上的電壓相同，即UL=0.9U2GS0718電感濾波原理，也可以用電感對(duì)交、直流分量感抗不同，使直流順利通過，使交流得受阻的原理來解釋。與電容濾波相比，電感濾波有以下特點(diǎn)：1.電感濾波的外特性和脈動(dòng)特性好。其外特性和脈動(dòng)特性如圖Z0714所示。UL隨IL的增大下降不多，基本上是平坦的（下降是L的直流電阻引起的）；S隨IL的增大而減小。2.電感濾波電路整流二極管的導(dǎo)通角e=no3.電感濾波輸出電壓較電容濾波為低。故一般電感濾波適用于輸出電壓不高，輸出電流較大及負(fù)載變化較大的場(chǎng)合。四、電容濾波電路濾波電路整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動(dòng)成分較大，在一些要求直流電平滑的場(chǎng)合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動(dòng)成分。一般直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來表示：脈動(dòng)系數(shù)（S）=GS0712例如，全波整流輸出電壓uL可用付氏級(jí)數(shù)展開為：其中基波最大值為0.6U2，直流分量（平均值）為0.9U2，故脈動(dòng)系數(shù)S=0.67。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S=1.57，可見其脈動(dòng)系數(shù)是比較大的。一般電子設(shè)備所需直流電源的脈動(dòng)系數(shù)小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。這一措施就是濾波。最基本的濾波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑；或從另一角度來看，電容、電感對(duì)交、直流成分反映出來的阻抗不同，把它們合理地安排在電路中，即可達(dá)到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波作用。常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。其中無源濾波的主要形式有電容濾波，電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型LC濾波，n型LC濾波和n型RC濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。電容濾波半波整流電容濾波電路如圖Z0710所示。其濾波原理如下：電容C并聯(lián)于負(fù)載RL的兩端，uL=uC。在沒有并入電容C之前，整流二極管在u2的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后，設(shè)在Bt=0時(shí)接通電源，則當(dāng)u2由零逐漸增大時(shí)，二極管D導(dǎo)通，除有一電流iL流向負(fù)載以外還有一電流iC向電容C充電，充電電壓uC的極性為上正下負(fù)。如忽略二極管的內(nèi)阻，則uC可充到接近u2的峰值u2m。在u2達(dá)到最大值以后開始下降，此時(shí)電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)u2Vuc時(shí)，D因反偏而截止，于是C以一定的時(shí)間常數(shù)通過RL按指數(shù)規(guī)律放電，uc下降。直到下一個(gè)正半周，當(dāng)u2>uc時(shí)，D又導(dǎo)通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中藍(lán)線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同，濾波波形如圖Z0711所示。從以上分析可以看出：加了電容濾波之后，輸出電壓的直流成分提高了，而脈動(dòng)成分降低了。這都是由于電容的儲(chǔ)能作用造成的。電容在二極管導(dǎo)通時(shí)充電（儲(chǔ)能），截止時(shí)放電（將能量釋放給負(fù)載），不但使輸出電壓的平均值增大，而且使其變得比較平滑了。電容的放電時(shí)間常數(shù)（t=RLC）愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動(dòng)成分也愈少，即濾波效果愈好。故一般C取值較大，RL也要求較大。實(shí)際中常按下式來選取C的值：RLCN（3?5>T（半波）GS0714RLCN（3?5）T/2（全波、橋式）GS07153.電容濾波電路中整流二極管的導(dǎo)電時(shí)間縮短了，即導(dǎo)通角小于180°。而且，放電時(shí)間常數(shù)越大，導(dǎo)通角越小。因此，整流二極管流過的是一個(gè)很大的沖擊電流，對(duì)管子的壽命不利，選擇二極管時(shí)，必須留有較大余量。4.電容濾波電路的外特性（指UL與IL之間的關(guān)系）和脈動(dòng)特性（指S與IL之間的關(guān)系）比較差，如圖Z0712所示?？梢钥闯鲚敵鲭妷篣L和脈動(dòng)系數(shù)S隨著輸出電流IL的變化而變化。當(dāng)IL=0（即RL=8）時(shí)，UL=U2（電容充電到最大值后不再放電），S=0。當(dāng)IL增大（即RL減?。r(shí)，由于電容放電程度加快而使UL下降，UL的變化范圍在U2?0.9U2之間（指全波或橋式），S變大。所以，電容濾波一般適用于負(fù)載電流變化不大的場(chǎng)合。5.電容濾波電路輸出電壓的佑算。如果電容濾波電路的放電時(shí)間常數(shù)按式GS0714或GS0715取值的話，則輸出電壓分別為：UL=（0.9?1.0）U2（半波）GS0716UL=（1.1?1.2）U2（全波）GS0717電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、應(yīng)用較廣。二：［整流濾波電路］整流濾波電路原理分析一、整流電路整流電路的關(guān)鍵問題是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電壓變換成單相脈動(dòng)電壓。單相整流電路可分半波、全波、橋式、倍壓整流等。由于半波整流電路只在電源的半個(gè)周期工作，電源利用率低，輸出波形脈動(dòng)較大，且電路簡(jiǎn)單。1、全波整流電路如下圖所示，全波整流是由兩個(gè)單相半波整流電路組成的，變壓器的二次線圈的中心抽頭把U2分成兩個(gè)大小相等，方向相反的U21和U22圖1全波與橋式整流電路工作原理：在正弦交流電源的正半周，VD1正向?qū)?，VD2反向截至，電流經(jīng)VD1，負(fù)載電阻RL回到變壓器中心抽頭0點(diǎn)，構(gòu)成回路，負(fù)載得到半波整流電壓和電流。同理，在電源的負(fù)半周，VD2導(dǎo)通，VD1截止。電流經(jīng)VD2，RL流回到變壓器中心抽頭0點(diǎn)，負(fù)載RL又得到半波電壓和電流。在負(fù)載上得到的電壓和電流波形圖見圖2a。電路一直重復(fù)上述過程，由此可見，全波整流電路的兩只二極管VD1，VD2是輪流工作的。2、橋式整流電路如上圖b）所示，單相橋式整流電路由電源變壓器T，整流二極管VD1.VD2.VD3,VD4和負(fù)載電阻RL組成。與全波整流電路一樣，變壓器將電網(wǎng)交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓，設(shè)當(dāng)電源電壓處于U2的正半周時(shí)，變壓器二次繞組的a端電位高于b端電位，VD1，VD3在正向電壓作用下導(dǎo)通，VD2和VD4在反向電壓作用下截止，電流從變壓器二次繞組的a端出發(fā)，經(jīng)VD1，RL,VD3，由b端返回構(gòu)成通路。由電流通過負(fù)載電阻RL，輸出電壓Uo=U2。相同原理可以分析電源電壓處于負(fù)半周的情況。在交流電壓的整個(gè)周期內(nèi)，整流器件在正負(fù)半周內(nèi)各導(dǎo)通一次，負(fù)載電阻始終有電流通過，并且保持為同一方向，得到兩個(gè)半波電壓和電流，如圖2b所示。所以橋式整流也是一種全波整流電路圖2全波與橋式整流電壓電流波形圖二、濾波電路整流電路可以使交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電，這種脈動(dòng)直流電不僅包含直流分量，還有交流分量。但是需要的是直流分量，因此必須把脈動(dòng)直流中的交流分量去掉。從阻抗觀點(diǎn)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，交流電阻很小。如果組合起來就能很好地濾除交流分量。這種組合就是濾波器。常用的濾波電路有以下幾種形式。1、 電容濾波電路如下圖就是電容濾波電路，即在負(fù)載兩端并聯(lián)一只電容。工作原理：利用電容兩端電壓不能突變的特性，當(dāng)二級(jí)管導(dǎo)通時(shí)，一方面給負(fù)載供電，另一方面對(duì)電容充電。充電到一定程度，電容開始經(jīng)過負(fù)載電阻放電。放電速度較慢，會(huì)持續(xù)到交流電的負(fù)半周，然后再重復(fù)上述過程。輸出電壓的大小和脈動(dòng)程度與放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)。橋式整流電容濾波后，輸出電壓Uo=（1.1?1.4）U2.。濾波電容選用幾十微法以上的電解電容，要注意其耐壓值應(yīng)高于1.4倍U2.。2、 電感濾波電路如果要求負(fù)載電流較大時(shí)，輸出電壓仍較平穩(wěn)，則采用電感濾波電路。如下圖所示。電感線圈上的直流阻抗很小，所以脈動(dòng)直流電壓中的直流分量很容易通過電感線圈，幾乎全部到達(dá)負(fù)載電阻RL，而電感對(duì)交流的阻抗很大，所以脈動(dòng)電壓中的交流分量很難通過電感線圈。由于電感和負(fù)載電阻串聯(lián)，對(duì)交流分量可看成一個(gè)分壓器，如果電感的感抗比負(fù)載電阻大很多，那么交流分量將大部分降在電感上，這樣就可以將脈動(dòng)較大的直流輸出變?yōu)檩^平穩(wěn)的直流輸出。濾波后的波形見下圖。如果負(fù)載電阻一定，電感越大，輸出電壓波動(dòng)越小，濾波效果越好。所以電感濾波一般用于負(fù)載變動(dòng)較大，負(fù)載平均電流較大的場(chǎng)合。3、復(fù)式濾波器通過電容濾波或電感濾波，直流輸出仍有或多或少的波動(dòng)。在要求較高的場(chǎng)合，為得到更加平滑的直流，可采用復(fù)式濾波器。LC濾波器電容濾波適用于負(fù)載較大的情況，電感濾波適用于負(fù)載較小的情況，如果把這兩種電路組合起來，就構(gòu)成了下圖中a所示的濾波器，它對(duì)于一般負(fù)載都可適用。LC濾波電路中，脈動(dòng)電壓經(jīng)過雙重濾波，使交流分量大部分被電感阻止，即使有小部分通過電感，還要經(jīng)過電容的濾波作用而使交流旁路。因此負(fù)載上的交流分量很小，從而達(dá)到濾除交流的目的。2)如下圖b所示，該濾波器由電容濾波器和LC濾波器組合而成，濾波過程為：交流電流整流后先經(jīng)電容濾波，然后再經(jīng)LC濾波，所以該電路性能比LC濾波和電容濾波都要優(yōu)越，獲得的電壓更加平滑RC濾波器如果負(fù)載電流不大，為減輕重量、降低成本、縮小體積，可以將上述兩個(gè)復(fù)式濾波器上的電感用一只電阻來代替，組成下圖所示兩種濾波器。RC濾波器中，電阻大濾波效果好，但電阻上壓降損失也大。一般在小電流場(chǎng)合，電阻通常取值幾十到幾百歐姆，電容取200到500微法整流后需加濾波電容，濾波電容的容量根據(jù)用電負(fù)荷大小選取，通常選幾十到幾百微法，要寫要求較高的直流電源，還需增設(shè)集成穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。濾波電容容量與負(fù)載電路的關(guān)系見下圖?？筛鶕?jù)輸出電流選擇濾波電容大小。還要確定電容的耐壓值，耐壓值過低，會(huì)因過電壓擊穿電容，耐壓值過大，會(huì)增加體積和成本?？砂聪率竭x擇電容的耐壓值。三：［整流濾波電路］交流電及整流濾波電路實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介在現(xiàn)代共農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，廣泛地使用著交流電。主要原因是與直流電相比，交流電在產(chǎn)生、輸送和使用方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和重大的經(jīng)濟(jì)意義。例如在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，采用較高的電壓可以減少線路上的損失。對(duì)于用戶來說，采用較低的電壓既安全又可降低電器設(shè)備的絕緣要求。這種電壓的升高和降低，在交流供電系統(tǒng)中可以很方便而又經(jīng)濟(jì)地由變壓器來實(shí)現(xiàn)。此外，異步電動(dòng)機(jī)比起直流電動(dòng)機(jī)來，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。在一些非用直流電不可的場(chǎng)合，如工業(yè)上的電解和電鍍等，也可利用整流設(shè)備，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。交流電的電壓（或電流）隨時(shí)間作周期性變化。實(shí)際上，所謂交流電包括各種各樣的波形，如正弦波、方波、鋸齒波等。本實(shí)驗(yàn)中，我們主要討論正弦交流電。其原因在于，正弦交流電在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，它在生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用上比起直流電來有不少優(yōu)點(diǎn)，而且正弦交流電變化平滑且不易產(chǎn)生高次諧波，這有利于保護(hù)電器設(shè)備的絕緣性能和減少電器設(shè)備運(yùn)行中的能量損耗。另外各種非正弦交流電都可由不同頻率的正弦交流電疊加而成（用傅里葉分析法），因此可用正弦交流電的分析方法來分析非正弦交流電。本實(shí)驗(yàn)的目的是掌握交流電路的基本特性及交流電各參數(shù)的測(cè)量方法。了解整流濾波電路的基本工作原理。實(shí)驗(yàn)原理n交流電路正弦交流電的表達(dá)式如下，其曲線如圖6.2.1-1所示。(1)由此可見，正弦交流電的特征表現(xiàn)在整弦交流電的大小、變化快慢及初始值三方面。而它們分別由幅值(或有效值)、頻率(或周期)和初相位來確定。所以幅值、頻率、初相位被稱為正弦交流電的三要素。l幅值、平均值和有效值-幅值峰值或最大值，記為或，峰點(diǎn)電位之差稱為“峰-峰值”，記為和。顯然。-平均值令、分別表示隨時(shí)間變化的交流電流和交流電壓，則它們的平均值分別為(2)這里是周期，平均值實(shí)際上就是交流信號(hào)中直流分量的大小，所以圖6.2.1-1所示的正弦交流電的平均值為0。-有效值在實(shí)際應(yīng)用中，交流電路中的電流或電壓往往是用有效值而不是用幅值來表示。許多交流電流或電壓測(cè)量設(shè)備的讀數(shù)均為有效值。有效值采用如下定義：(3)l周期與頻率正弦交流電通常用周期或頻率來表示交變的快慢，也常常用角頻率來表示，這三者之間的關(guān)系是(4)需要指出的是：同頻率正弦交流電的和或差均為同一頻率的正弦交流電。此外，正弦交流電對(duì)于時(shí)間的倒數(shù)或積分也仍為同一頻率的正弦交流電。這在技術(shù)上具有十分重要的意義。l初相位交流電時(shí)的相位稱為交流電的初相位。它反映了正弦交流電的初始值。n整流和濾波整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，嚴(yán)格地講是單方向大脈動(dòng)直流電，而濾波電路的作用是把大脈動(dòng)直流電處理成平滑的脈動(dòng)小的直流電。l整流原理利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?shí)現(xiàn)整流。-半波整流圖6.2.1-2中D是二極管，是負(fù)載電阻。若輸入交流電為(5)則整流后輸出電壓為(一個(gè)周期內(nèi))⑹其相應(yīng)的平均值(即直流平均值，又稱直流分量)(7)-全波橋式整流前述半波整流只利用了交流電半個(gè)周期的正弦信號(hào)。為了提高整流濾波效率，使交流電的正負(fù)半周信號(hào)都被利用，則應(yīng)采用全波整流，現(xiàn)以全波橋式整流為例，其電路和相應(yīng)的波形如圖6.2.1-3所示。若輸入交流電仍為(8)則經(jīng)橋式整流后的輸出電壓為(一個(gè)周期)(9)其相應(yīng)直流平均值為(10)由此可見，橋式整流后的直流電壓脈動(dòng)大大減少，平均電壓比半波整流提高了一倍(忽略整流內(nèi)阻時(shí))。l濾波電路經(jīng)過整流后的電壓(電流)仍然是有“脈動(dòng)”的直流電，為了減少波動(dòng)，通常要加濾波器，常用的濾波電路有電容、電感濾波等?，F(xiàn)介紹最簡(jiǎn)單的濾波電路。-電容濾波電路電容濾波器是利用電容充電和放電來使脈動(dòng)的直流電變成平穩(wěn)的直流電。我們已經(jīng)知道電容器的充、放電原理。圖6.2.1-4所示為電容濾波器在帶負(fù)載電阻后的工作情況。設(shè)在時(shí)刻接通電源，整流元件的正向電阻很小，可略去不記，在時(shí)，達(dá)到峰值為。此后以正弦規(guī)律下降直到時(shí)刻，二極管D不再導(dǎo)電，電容開始放電，緩慢下降，一直到下一個(gè)周期。電壓上升到和相等時(shí)，即以后，二極管D又開始導(dǎo)通，電容充電，直到。在這以后，二極管D又截止，又按上述規(guī)律下降，如此周而復(fù)始，形成了周期性的電容器充電放電過程。在這個(gè)過程中，二極管D并不是在整個(gè)半周內(nèi)都導(dǎo)通的，從圖上可以看到二極管D只在到段內(nèi)導(dǎo)通并向電容器充電。由于電容器的電壓不能突變，故在這一小段時(shí)間內(nèi)，它可以被看成是一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)（類似蓄電池）。由電容兩端的電壓不能突變的特點(diǎn)，達(dá)到輸出波形趨于平滑的目的。經(jīng)濾波后輸出的波形如圖6.2.1-5所示。-型濾波前述電容濾波的輸出波形脈動(dòng)系統(tǒng)仍較大，尤其是負(fù)載電阻較小時(shí)。除非將電容容量增加（實(shí)際應(yīng)用時(shí)難于實(shí)現(xiàn)）。在這種情況下，要想減少脈動(dòng)可利用多級(jí)濾波方法，此時(shí)再加一級(jí)低通濾波電路，如圖6.2.1-6所時(shí)，這種電路也稱型濾波電路。由圖可見，型濾波是在電容之后又加了一級(jí)濾波，使得輸出電壓更平滑（但輸出電壓平均值要減少）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容n測(cè)量交流電壓（或電流）選擇信號(hào)發(fā)生器（XD-8）的頻率為500Hz，測(cè)出信號(hào)發(fā)生器15V擋從1V-15V的輸出電壓。l用數(shù)字多用表測(cè)量電壓的有效值，計(jì)算峰-峰值。l用示波器觀察及測(cè)量其電壓峰峰值，計(jì)算有效值，畫出波形圖。在坐標(biāo)紙上畫出上面兩組數(shù)據(jù)曲線（示波器讀數(shù)作x軸坐標(biāo)，數(shù)字多用表讀數(shù)作y作軸坐標(biāo)），計(jì)算相對(duì)誤差。n整流波形的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)電路如圖6.2.1-7所示l用數(shù)字多用表分別測(cè)量半波整流和全波整流的輸入電壓、輸出電壓，計(jì)算平均值。l用示波器觀察半波整流和全波整流的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，分別畫出、的圖形。l用示波器測(cè)量半波整流和全波整流的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，計(jì)算