電源整流與濾波電路

一、電源整流(非常重要)

1.1 簡單電源電路原理

上圖是直流電(DC)和交流電(AC)的電流隨時間變化的波形。

1.2 簡單電源電路的組成

交流電源加在電源變壓器上。

變壓器將不安全的電壓變換為安全的所必需的交流電壓，然后再加到整流電路上。

整流電路利用二極管整流的作用，由交流獲得單向脈動直流。

濾波電路，即是對整流過來的脈動直流電，進行濾波、平滑，使之接近完美的直流電。

穩(wěn)壓電路，即是防止負載和輸入端電壓變化時，保持輸出電壓的恒定。

經(jīng)穩(wěn)壓后將電源輸出給負載。

1.2 半波整流濾波電路

1.2.1 二極管在電路中的開關(guān)作用

如上圖(a)所示，a點接(+)，b點接(-)的正向偏置一旦加上，二極管的電阻RD幾乎為零。正向電流ID流通;

同樣如圖(b)所示，a點接(-)，b點接(+)，施加反向偏置的情況下，RD無限大，ID幾乎為零。因此二極管可以看作為正偏導(dǎo)通成為ON，反偏斷開成為OFF的開關(guān)。

補充說明：在電子電路中，將二極管的正極接正電，負極接負電，二極管就會導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。

1.2.2 二極管開關(guān)作用使得交流變直流

將二極管接入如上圖所示電路中，在VD為正(①處為正電，②處為負電)的半周期中，二極管上加上正向偏置為ON，輸出端出現(xiàn)VD，ID不為0，負載有電流通過。

而在VD為負(①處為負電，②處為正電)的半周期中，二極管被反向偏置為OFF，輸出端VD變?yōu)?(圖中用虛線表示了負半周期，表明負半周期輸出是0),ID為0，負載沒有電流通過。

綜上原理已知，由于只能利用交流輸出的半個周期，所以稱為半波整流電路。

半波整流的特點：效率低、脈動系數(shù)(紋波因數(shù))大。

注意：這個時候就是直流電啦，別看電流一會大一會小，已經(jīng)確定是恒定的正向電壓啦，只是時有時無罷了。

1.3 橋式全波整流濾波電路

前面半波整流已經(jīng)得到直流電了，但是脈動系數(shù)還很大，利用率還很低。基于這2點，我們用一個二極管可以半波整流，用上兩個二極管就可以全波整流，但是用的最多的還是四個二極管的橋式全波整流。

兩個二極管的全波整流如下：

這張圖利用以上所學(xué)可以分析出它是全波的，信號如下：

根據(jù)上述的，我這里不解釋了。下面我們主要講橋式整流。橋式整流電路如下：

很容易我們就能知道負載RL上的波形情況。整流過程如下：

那么整個周期負載上的信號和兩個二極管的全波整流是一樣的。

補充說明：在上圖正半周期中，電流從負載RL流向D1和D3的交匯處時，最終選擇了經(jīng)過D3流向負極。這里假設(shè)正極是14V，那么電流流過D2和RL必然有壓降，此時來到D1和D3的交匯處，假設(shè)此處電壓9V，那么對D1來說不就是負極加正電，正極加負電嘛，而對D3來說它的正極是9V，它的負極是0V，電流肯定就從D3回到負極了。在上圖負半周期中，同理，讀者自己分析。

負載上就會得到如下的直流電：

二、電源濾波(非常重要)

僅用整流元件進行整流而得到的波形(橋式整流、全波整流)，還是含有很多的波動成分，還不能作為直流電源使用。要把脈動直流電變成波形平滑的直流電，還需要在做一番“填平補齊”的工作。這便是濾波，換句話說濾波的任務(wù)就是把整流輸出電壓中的波動成分盡可能的減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。

利用某種元件(電容和電感)對交流、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波，去除整流波的波動成分，使輸出波形像直流一樣平坦的電路稱作濾波或平滑電路。

2.1 用電容和電感組成簡單濾波電路

電容器是一個儲存電能的倉庫。在電路中，當(dāng)有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容充電，把電能儲存在電容器中;當(dāng)外加電壓失去(或降低)之后，電容器將把儲存的電能再放出來(所以剛買到的電容是沒電的，除非你充電了，電容很大，放電就慢)。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近峰值電壓;放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，知道完全消失。電容器的容量越大，負載的電阻值越大，充電和放電需要的時間越長，這種電容器兩端電壓不能突變的特性，正好用來承擔(dān)濾波的任務(wù)。

電容器C對直流開路，對交流阻抗較小，(隔直流，通交流)所以C應(yīng)該并聯(lián)再負載兩端(串聯(lián)可不就斷路了嗎)。

2.1.1 利用電容充放電分析半波整流

如上圖，是一個接入電容器之后的半波整流濾波電路。當(dāng)二極管導(dǎo)通的時候，有2路電流，一路通過RL構(gòu)成回路;一路對電容器進行充電(這里為什么可以進行充電，又為什么電容隔直流通交流)。當(dāng)二極管截止或下降到一定電壓的時候電容就開始放電，放電的時候電流從電容正極經(jīng)過RL到達電源負極。

補充說明：電容器具有隔直流，通交流的功能。交流電的本身特性和電容器存儲電荷的作用，使得交流電能順利通過電容器，充當(dāng)了一個臨時電源的作用。而電容器不讓直流電通過，那直流電為什么可以給電容充電?比如電池就是直流電就可以給電容充電，這是一個什么原理?電容器是由兩個相互絕緣的金屬導(dǎo)體組成，金屬導(dǎo)體面積越大，距離越近電容量越大。電容量和中間絕緣體的介電常數(shù)有關(guān)。電容對直流電是絕緣的，直流電不能通過電容器。但沒有帶電的電容器在接通電路時，電路的電壓加在電容器兩個極板上，在兩個極板產(chǎn)生電場，由于電場力的作用，使兩個極板吸引電荷，當(dāng)電荷產(chǎn)生的內(nèi)電場和電路產(chǎn)生的外電場平衡時，電容器充電結(jié)束，電容器對于外電路呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。由于交流電電壓是變動的，電容器電場永遠不會平衡，永遠處于充放電狀態(tài)，但電子沒有通過絕緣體，只是在極板上變化。