系统分析滤波电路整流器的原理介绍

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　　系统分析滤波电路整流器的原理介绍

　　本例为培养电路调试中的故障分析能力而设，希望能帮助大家了解数据学以致用。

　　单相桥式整流电路(Bridge rectifier)如图7.1.6所示，其中图b 为简化画法，图 c为另一种画法。

　　1.电路工作原理

　　(1)u2正半周

　　u2瞬时极性a(+)，b(-)。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止。导电回路为a→VD1→RL→VD3→b,负载上电压极性上正下负。

　　(2)u2负半周

　　u2瞬时极性a(-)，b(+)。二极管VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正偏导通，导电回路为b→VD2→RL→VD4→a，负载上电压极性同样为上正下负。

　　(3)波形图

　　u2、iD、uo及iL波形如图7.1.7所示。

　　图7.1.6 单相桥式整流电路 图7.1.7 单相桥式整流电路波形图

　　a)原理b)简化画法 c)另一种画法

　　2.二极管正确接法

　　错接二极管会形成很大短路电流而烧毁。正确接法：共阳端和共阴端接负载，而另外两端接变压器二次绕组。

　　3.负载上电压、电流值及脉动系数的计算

　　输出电压的平均值Uo(AV)和电流平均值IL(AV)及系数等均与全波整流电路相同，即UO(AV)=0.9U2，IL(AV)=0.9U2/RL，γ=0.48。

　　4.整流二极管的选择

　　选择二极管时，IF≥ID =1/2 IL(AV)=0.45U2/RL， URM≥UDM=

　　U2

　　〔例7.1.1〕某直流负载电阻为10Ω，要求输出电压UO=24V，采用单相桥式整流电路供电。

　　(1)选择二极管

　　(2)求电源变压器的变比与容量。

　　解：

　　(1)根据题意可求得负载电流

　　IL=UO/R L=24V/10Ω=2.4A

　　二极管平均电流为

　　ID=1/2 IL=1.2A

　　变压器二次电压有效值为

　　U2=UO/0.9=24V/0.9=26.6V

　　在工程实际中，变压器二次侧压降及二极管的导通压降，变压器二次电压大约照理论计算值需提高10%，即

　　U2=26.6V×1.1=29.3V

　　二极管最大反向电压

　　URM=

　　U2=

　　×29.3V=41.1V

　　查阅附录表A-2，选用2CZ56型，它的额定正向电流IF=3A，最高反向工作电压查阅分档标志，选择2CZ56C型，URM=100V留有裕量。从表中可知，该二极管要求安装80mm×80mm×1.5mm铝板作为散热器，是为防止二极管过热而损坏。

　　(2)变压器变比

　　n=220V/29.3V=7.5

　　可以证明变压器二次电流有效值

　　I2=IL/0.9≈2.4A/0.9=2.67A

　　电源变压器伏安容量

　　U2I2=29.3V×2.67A=78.231VA≈79VA

　　考虑到小功率变压器效率，一般取η=0.8，则

　　U2I2=79VA/0.8=98.75VA≈99VA

　　选容量为100VA、二次侧电压、电流有效值为30V/3A的变压器。

　　二、硅桥式整流器简介

　　为使用方便，工厂生产出硅单相半桥整流器和硅单相桥式整流器。半桥整流器为二个二极管串接后封装引出三个引脚。单相桥式整流器又称桥堆，其外形如7.1.8所示。其中标有“~”引脚为交流电源输入端，其余两脚接负载。图中标注尺寸单位为：mm。

　　图7.1.8 常用桥式整流器

　　a)QL1～6型 b)QL51型

　　(自学)倍压整流电路原理

　　二极管倍压整流电路(Voltage doubler rectifer)如图7.1.9所示。

　　1.工作原理

　　设电源变压器二次电压u2=

　　U2sinωt，电容初始电压为零。

　　图7.1.9 倍压整流电路

　　(1)当u2正半周

　　a 端瞬时极性为正，b 端为负，二极管VD1导通，C1充电，uC1≈

　　U2，极性右正左负。

　　(2)当u2为负半周

　　a负b正，VD1反偏截止，VD2正偏导通，C2充电，uC2=

　　U2+ uC1≈

　　U2，极性右正左负。

　　(3)当u2再次为正半周

　　VD1、VD2反偏截止，VD3正偏导通，C3充电，uc3=

　　U2+

　　U2-uC1≈

　　U2，极性右正左负。

　　(4)当u2再次为负半周

　　VD1、VD2、VD3均反偏截止，VD4正偏导通，C4充电，uC4≈

　　U2，极性右正左负。

　　依次类推，若在图中e、f点后面按照图示结构接二极管和电容时，则每个电容都将充电至

　　U2，极性均右正左负。

　　2.输出电路接法：

　　U2，负载接e、b两节点。

　　U2，负载接f、a两节点。

　　在以上分析中，均未考虑电容放电的影响，而实际应用时，当接上负载后，电容将要对负载放电，使输出电压降低。

　　3.适用场合

　　倍压整流电路仅适用于负载电流很小的场合。

　　4.元器件选择

　　U2;C1的耐压值

　　U2，其余电容的耐压值

　　U2，电容值可按式τd=RLC≥(3～5)T/2估算。

　　三、 滤波电路

　　1.采用滤波电路的缘由及功用

　　整流电路输出的电压是脉动的，含有较大的脉动成分。这种电压只能用于对输出电压平滑程度要求不高的电子设备中，如电镀、蓄电池充电设备等。

　　滤波电路(Filter)的作用：保留整流后输出电压的直流成分，滤掉脉动成分，使输出电压趋于平滑，接近于理想的直流电压。

　　2.分类

　　常用的滤波电路有电容滤波电路(Capacitance filter)、电感滤波(Inductance filter)和RC-π型滤波电路等。

　　(一)半波整流电容滤波电路

　　1)电路组成与工作原理

　　注意：(1)二极管导通与否由uC和u2共同决定。(2)

　　半波整流电容滤波电路如图1.4.1a所示。设u2(0)=0，在0～t1期间，二极管VD正偏导通，电流分成两路：①iL，②ic充。因充电时间常数τ充=τrc=(r//RL)C≈rC，很小，uC快速上升，在t1时刻，uC达到峰值

　　U2，其中，r为二极管导通时的正向电阻及变压器二次绕组直流电阻之和。

　　二极管的工作状态由变化的u2与uC决定。t1时刻，u2=uC=

　　U2，VD反偏截止。C向RL放电，τ放=τRC=RLC。RL>>r，τRC>>τrc，故放电过程缓慢，uC下降缓慢，因二极管阳极电位却随u2迅速下降，使二极管在一段时间内处于截止状态。

　　当u2自负半周向正半周上升，在t2时刻，u2>uC， VD又开始导通，向电容C迅速充电，在t2～t3期间，uo波形按图7.2.1b中B～C段变化。

　　到t3时刻，uC=u2，二极管又截止，C又对RL放电。

　　2)波形图

　　综上所述，画出的输出电压uo亦即电容C上电压uC波形如图1.4.1b所示。

　　图7.2.1 半波整流滤波电路及波形

　　a)电原理图 b)波形图

　　3)电容滤波作用的物理意义

　　电容C对直流分量相当于开路，而对输出电流中的基波及更高次谐波，只要C足够大，XC可以很小，相当于短路，使输出波形趋于平滑。

　　4)UO(AV)与ID(AV)估算

　　电路输出直流电压平均值为

　　UO(AV)=(1～1.1)U2

　　一般取UO(AV)=U2，流过二极管的平均电流为

　　ID(AV)≈U2/RL

　　5)二极管选择

　　在二极管截止时，二极管承受的最大反向电压为变压器二次绕组电压和电容器充电电压之和，故选二极管时

　　URM≥UDM=2

　　U2

　　在实际工作时，冲击电流较大，故选用二极管时，一般选IF=(2～3)ID。

　　(二)单相桥式整流电容滤波电路

　　1.电路组成及工作原理

　　单相桥式整流电容滤波电路如图7.2.2所示。其工作原理与半波整流滤波电路基本相同，不同的是输出电压是全波脉动直流电，无论u2是正半周还是负半周，电路中总有二极管导通，在一个周期内，u2对电容充电二次，电容对负载放电的时间大大缩短，输出电压波形更加平滑。

　　2.波形图及UO(AV) 估算

　　波形如图1.4.2b所示，图中虚线为不接滤波电容时的波形，实线为滤波后的波形，输出电压为

　　UO(AV)≈1.2U2

　　在电容滤波电路中，若负载电阻开路，UO=

　　U2。

　　3.滤波电容选择

　　滤波电容按式τ=RLC≥(3～5)T/2选取。其中，T是交流电的周期。

　　滤波电容数值一般在几十微到几千微法，视负载电流大小而定，其耐压值应大于输出电压值，一般取1.5倍左右，且通常采用有极性的电解电容。

　　4.滤波电容装接注意事项

　　在滤波电容装接过程中，切不可将电解电容极性接反，以免损坏电解电容或电容器发生爆炸。

　　5.电容滤波电路特点及适用场合

　　电容滤波电路简单，输出电压Uo较高，脉动较小。但外特性差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

　　图7.2.2 单相桥式整流电容滤波电路图及波形图

　　a)电路图 b)波形图

　　[例7.2.1 ]有一单相桥式整流电容滤波电路如图7.2.2所示，市电频率为f=50HZ，负载电阻400Ω，要求直流输出电压UO=24V，选择整流二极管及滤波电容。

　　解：

　　(1)选择二极管

　　A，IF=(2~3)ID=(60~90)mA

　　∵UO=1.2U2 ∴U2=UO/1.2=20V

　　二极管承受的最高反向电压 URM=

　　U2=20

　　V=28.2V

　　查阅手册或本书附录表B-2，2CZ52 型IF=100mA，查阅电压分档标志，2CZ52B的最高反向工作URM为50V，符合要求。

　　(2)选择滤波电容

　　取RLC=5×T/2，RLC=5×0.02/2 S=0.05S

　　已知 RL=400Ω，所以 C=0.05/RL=0.05S/400Ω=1.25×10-6F=125μF

　　电容器耐压值 Ucn=1.5UO=36V

　　取标称值耐压50V、电容量200μF或500μF的电解电容。

　　四、RC-π型滤波电路

　　1.电路组成

　　RC-π型滤波电路如图7.2.4所示。它是利用R和C对输入回路整流后的电压的交直流分量的不同分压作用来实现滤波作用的。R对交直流分量均有降压作用，因电容C2的交流阻抗很小，这样R与C2及RL配合以后，使交流分量较多地降在电阻R上，而较少地降在负载RL上，从而起到滤波作用。R越大，C2越大，滤波效果越好。但R不能太大，否则，UR过大造成能量无谓消耗。

　　图7.2.4 RC-π型滤波电路

　　2.UO(AV)估算

　　桥式整流RC-π型滤波输出电压可用下式估算

　　3.适用场合

　　这种滤波电路适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动小的场合。

　　五、整流滤波电路总结(表中U2为变压器二次绕组电压有效值)

　　UO(AV)对应电路

　　0.45U2半波整流

　　0.9U2桥式整流

　　U2半波整流电容滤波

　　1.2U2桥式整流电容滤波

　　U2电容滤波负载开路

　　例：有一桥式整流电容滤波电路U2=10V。

　　1. 估算电路正常工作时UO(AV)。

　　2. 若UO分别为①4.5V②9V③14V④10V，分析判断故障。

　　解：1. UO(AV)=1.2 U2=1.2×10=12V

　　2.①电容开路、一个二极管开路

　　②滤波电容开路

　　③负载电阻开路

　　④其中一个二极管开路

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