教你如何分析整流滤波电路，详细教程

我们已经知道，人们普遍使用的市电是正弦波交流电，交流市电的特性是：有效值为220V，峰值等于有效值的√2 倍，频率为50Hz，周期(T)是0.02s。交流电的波形如图2-1所示。

图2-1　交流电的特性波形图

【提示】

频率(f)与周期(T)的关系：T=1/f，其中，频率是指1s内正负极性交替变化的次数，周期是指正负极性变化1次所需要的时间。而有效值是指在一个周期内的平均电压值(如图2-1中OACD所围成的矩形面积)。

绝大多数电子设备使用的是低压直流电，我们日常使用的电源是220V交流市电，由于电压太高，不能直接供给这些电子设备。所以，交流市电必须要经过降压，再经变换成为直流电才能用于电子设备。在电子设备中，将交流电压(电流)变换为单向脉动直流电压(电流)的过程叫整流，通常称为AC-DC转换。这是利用二极管的单向导电特性进行转换的，简单方便。下面简要分析整流滤波电路。

单相半波整流滤波电路

1.半波整流电路

半波整流电路主要由变压器、整流二极管和负载组成。单相半波整流电路原理图如图2-2所示。

图2-2　单相半波整流电路原理图

图2-2a中，T为电源变压器，假定一次侧接入220V交流市电电压U1，利用变压器的原理在二次侧得到交流电压U2(假定变压器为降压变压器)，其波形如图2-3a所示，正负极性、幅值随时间变化而变化，U2为有效值，峰值为

U2。在U2的正半周期间，U2的上端为正，下端为负。二极管VD正向导通，相当于开关接通，如图2-2b中，有电流流过二极管和负载RL，在负载上得到输出电压Uo=U2-0.7V≈U2，如图2-3b中0～0.01s期间的波形。

图2-3　半波整流在负载上得到的电压电流波形图

在U2的负半周期间U2变为上负下正，二极管VD因反偏而截止，相当于开关断开，如图2-2c中，没有电流流过负载，即负载上的电压Uo为0，如图2-3b中0.01～0.02s期间。

由此可看出，半波整流只用了交流电的半个周期，而且负载有0.01s的缺电期，在负载上形成的平均电压为Uo(AV)=0.45U2。

这里对半波整流电路是以交流电压为例来说明的，实际上，它也可以对脉冲电压进行整流，并且对脉冲电压进行整流在开关电路中应用较多。

2.滤波电路

从图2-3可以看出，整流后在负载上得到的电压呈间断状态，称为单向脉动直流电(电流方向不变，总是自上而下流过负载)，大多数的电子设备在这样的供电情况下还是不能正常工作，表现出来就是出现故障。为了给负载供给稳定的直流电压，还需要将脉冲直流电进行滤波。

滤波的目的是要将脉冲直流电的脉动成分削弱，使输出电压更加平稳。滤波的方式主要有电容滤波、电感滤波、阻容滤波和π形滤波等方式。

(1)电容滤波

电容滤波的电路原理图如图2-4所示。

图2-4　电容滤波电路图

电容滤波电路，实际上就是在整流滤波的电路原理图中的负载上并联一个电容器。下面我们分析一下增加电容器后工作情况有什么变化。

变压器二次电压U2波形如图2-5a中虚线所示。当U2处在第一个正半周的上升期(0～t1)时，二极管VD导通，其电流向电容器充电，电容器上的电压很快被充到U2的峰值。当U2下降时，电容器上的电压暂时保持在其峰值，因为电容两端电压不能突变，所以二极管处于反向截止状态，电容器上的电压通过负载缓慢放电，电压渐渐降低，如图2-5a中t1～t2期间波形所示。到达t2时，由于U2变到第二个正半周上升期并使二极管重新导通，再向电容器充电，电容器的电压UC又随U2升高，再次达到峰值，这样重复下去得到如图2-5a中的实线波形，它呈锯齿波形或三角波形。其负载电压UL的平均电压大幅提高。

图2-5　电容滤波波形图

在U1发生突变(升高或降低)时，电容器两端的电压不会发生大幅波动。当U1突然升高时，U2整流后对电容器的充电电流加大，因为电容器两端电压不能突变，所以电容器上的电压上升缓慢，削弱了浪涌电流对负载的冲击，还能起到保护负载的作用。同理，若U1突然下降，虽然U2也下降，但电容器上的充电电压不能突然降低，它只能通过负载缓缓放电，从而使负载上的电压也不会突然降低。

电容滤波过程中电压的特点是：

1)输出电压没有了间断区，滤波后的直流电压比无电容器时提高了，几乎达到了U2的峰值。在实际中，由于电容器的放电及整流管内阻等因素会使输出电压略低，它约等于U2。

2)C越大，RL越大，放电所引起的电压下降就越小，输出电压略有提高。

3)滤波后的电压呈锯齿波形，用示波器可清楚地看到其波形。

4)由于电源电压只在半个周期内有输出，电源利用率低，脉冲成分太大。

(2)电感滤波

电感滤波电路原理图如图2-6a所示。

由电感本身的物理特性可知，当通过电感的原电流突然增大时，电感自身就产生一个感应电动势，其方向与增大的电流方向相反，两者相抵消一部分，阻碍电流的突然增大;当通过电感的原电流突然减小时，电感自身同样能产生一个感应电动势，其方向与减小的方向相反，又阻碍电流的突然减小。这样的特性使变化的电流不能通过电感线圈加到负载上，使负载上的电压变化较缓，从而起到稳压的作用。

阻容滤波和π形滤波的电路形式如图2-6b和d所示，它们的工作原理与上述两种滤波电路原理很相似，请读者自行分析。

图2-6　滤波的几种方式

从这几种滤波方式的图形可见，电容滤波简单，阻容滤波负载电流较小，电阻不能太大;电感滤波效果好，但电感体积较大，π形滤波效果最好。

单相全波整流滤波电路

由于半波整流存在输出电压脉动大以及电源利用率低等缺点，因而实际应用中常采用全波整流。其电路组成如图2-7a所示。与半波整流不同的是，变压器多了一个中间抽头，其1～0线圈与0～2线圈匝数相等。

查看图2-7a、b。输入交流电压U1为正半周时，变压器二次感应电压U2分为U2a和U2b两部分。U2a由变压器二次1～0线圈产生，设极性为“1正0负”;U2b由变压器二次0～2线圈产生，极性为“0正2负”。二极管VD1因正偏而导通(相当于开关接通)，电流自上而下流经负载RL到变压器中心抽头0端;二极管VD2因反偏而截止(相当于开关断开)。当输入交流电压U1为负半周时，变压器二次感应电压极性为“1负0正”、“0正2负”，因而，VD1截止，VD2导通，电流还是自上而下流经负载到中心抽头0端。

图2-7　单相全波整流滤波电路原理图

当交流电进入下一个周期时，又重复上述过程。可见，交流电的正负半周使VD1与VD2轮流导通，在负载上总是得到自上而下的单向脉动直流电流。与半波整流相比，它有效地利用了交流电的负半周。全波整流滤波波形如图2-8所示。

图2-8　全波整流滤波波形图

由图2-8分析可知，全波整流滤波电路的输出电压Uo比半波整流提高了一倍，且有

Uo=0.9U2

桥式整流及滤波电路

为了克服半波整流的缺点，实际电路中还常采用桥式整流及滤波电路。桥式整流及滤波电路原理图如图2-9所示。

图2-9　桥式整流及滤波电路原理图

从电路图中可以看出，该电路用了四个整流二极管，其工作原理如下所述。

假设U2为变压器二次交流电压，在U2的正半周期期间，变压器二次为上正下负，二极管VD1、VD3因正偏导通，电流由1端流出，经VD1、RL和VD3回到变压器2端，在负载上得到“上正下负”的电压，此时，VD2和VD4因反向而截止，波形如图2-10a所示。请读者注意电流的方向和通路。

在U2的负半周期期间，变压器二次为上负下正，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流由2端流出，经VD2、RL和VD4回到变压器1端，在负载上得到的还是“上正下负”的电压。可见在U2的整个周期内VD1、VD3工作半周，VD2、VD4工作半周，两组轮流导通，在负载上总是得到“上正下负”的单向脉动直流电压，其波形变化如图2-10b所示。

当在负载两端并接上电容器滤波时，其输出电压更加平稳。其输出电压波形如图2-10c中实线所示。

桥式整流及滤波电路的特点是脉动减小、电源利用率提高。桥式整流电路的输出电压在无电容时约为0.9U2，桥式整流后的滤波电路同于单相滤波电路，滤波后的输出电压为Uo=√2U2。

图2-10　桥式整流及滤波波形图