整流滤波电路 转

无线电小组的同学们完成了整流滤波电路(图 1 )的制作,经过测试,给半导体收音机供电,效果很不错。接着,老师对大家提出的问题进行了答疑,并与同学们一起展开了讨论。

学生:“整流”是利用二极管的单方向导电特性,把方向来回变化的交流电变换成单一方向的直流电,如果就用一只二极管,能不能构成整流电路呢?
老师:用一只二极管可以组成最简单的整流电路,见图 2 。大家知道,我们日常所用的交流电,是由电力网供给的 220V 、 50Hz 的正弦波交流电,用 U1 表示,为了适应负载需要的低电压,就要利用电源变压器 T 把 U1 变换成 U2 。在 U2 的正半周,变压器副边 A 端为正、 B 端为负,二极管 VD 承受正向电压而导通,负载 R L 两端得到了 U2 的正半周;当 U2 变为负半周时,变压器副边 A 端为负、 B 端为正,二极管 VD 承受反向电压而截止,负载 R L 上没有电流,电压也等于零。这种整流电路只利用了交流电波形的一半,另一半白白地“浪费”了,所以称它为“半波整流”。

学生:这么说负载两端的电压 U L 等于交流电压 U2 的一半了?
老师:半波整流电路中 U L 和 U2 的关系需要给大家讲清楚。大家已经注意到,负载两端的电压 U L 不是平滑的直流电压,它的大小时时刻刻在变化着,我们管它叫“脉动直流电压”。用万用表的直流电压挡可以测出 U L 的大小,叫做脉动直流电压的平均值。根据理论分析,半波整流电路负载上脉动直流电压的平均值 U L ,在数值上等于变压器副边交流电压 U2 的 45 %,也就是 U L =0.45U2 。半波整流电路整流效率很低,输出电压脉动度很大,在电源电路中很少应用。
学生:今天制作的用 4 只二极管组成的整流电路,我们还是看不明白,您能讲讲它的工作原理吗?
老师:好。大家看示教板(图 1 )。当交流电压 U2 出现正半周时, A 端为正、 B 端为负,也就是 A 端为高电位, B 端为低电位,电流总是从高电位点流向低电位点的,所以我们以 A 端出发,到 1 点时,有 VD 1 、 VD4 两条支路,由于 VD4 的阴极连着高电位的 A 端,所以 VD4 截止, VD1 导通,电流通过 VD1 到了 2 点,电流不可能由 VD2 的阴极流向阳极,所以 VD2 不通,若不考虑电容 C 的存在,则电流只能流向负载 R L ,经 R L 流到 4 点,并通过 VD3 流向 B 端。
学生:老师,在 4 点连接着 VD3 、 VD4 两个二极管的阳极,这两个二极管不是都能导通吗?
老师:问题提得好。同学们一定要记住,分析电路要抓住电路中最高电位点和最低电位点,这样才能找出正确的电流流通路径。这里, A 端电位最高, B 端电位最低,所以电流不可能由 4 点经过 VD4 流向高电位的 A 端, VD4 是处于截止状态的,正如同河水不可能从下游向上游流动一样。大家明白了吗?
同学:明白啦!
老师:现在你给大家分析一下 U2 负半周时电流的流通情况。
同学:交流电压 U2 为负半周时,应该是 B 端为最高电位点, A 端为最低电位点。电流从 B 端出发,在 3 点处 VD2 导通、 VD3 截止,电流通过 VD2 到了 2 点,因为 VD1 截止,电流只能流向负载 R L ,经过 R L 流到 4 点,在 4 点 VD3 截止、 VD4 导通,电流经过 VD4 流回最低电位点 A 端。
老师:你分析得很正确。为了使大家看得更清楚,我们把处于导通状态的二极管近似看成接通的开关,把处于截止状态的二极管近似看成断开的开关,画出图来(图 3 ),电流在 U2 正半周和负半周的流通路径也就一目了然了。从电路图上大家可以看到, U2 的正半周和负半周期间都有电流流过负载,而且它们的方向都是从 C 端流向 D 端,这不就把方向交替变化的交流电更换成单一方向的直流电了吗!由于这种整流电路把交流电的正、负两个半周全部利用了起来,所以管它叫“全波整流电路”。

同学:全波整流电路的输出电压 U2 是不是等于半波整流输出电压的一倍呢?
老师:对。全波整流电路负载上脉动直流电压的平均值 U L ,在数值上等于交流电压 U2 的 90 %,就是 U L =0.9U2 ,比半波整流提高了一倍,电压的脉动度也大大减小了。
同学:为什么整流电路的输出端需要并联一个电容器呢?
老师:大家知道,整流电路输出的是脉动直流电压,假如直接用它给半导体收音机供电,扬声器里放出的是“嗡、嗡”的交流声,把有用的电信号全给淹没了。在整流电路输出端并联一个电容器 C (图 1 ),可以对脉动直流电压起到一种平滑作用,所以称它为“平滑滤波器”。
同学:您能给我们详细讲讲电容滤波电路的工作原理吗?
老师:好的。我先问问你们,电容器在电路中的主要作用是什么呢?
同学:充电和放电。
老师:对。平滑滤波也是利用电容器的充电作用和放电作用。需要注意的是,电容器两端的电压由低变高时,电容器进行充电;电容器两端的电压由高变低时,电容器进行放电。现在我们以半波整流电路(图 4a )为例,说明电容滤波的工作原理。画出脉动直流电压 U L 的波形图(图 4 - b )。在 U2 正半周时,二极管 VD 导通,流过二极管的电流有一部分流入负载 R L ,另一部分对电容器 C 充电,由于充电回路电阻很小,电容器两端的电压 Uc 差不多跟随 U2 同时到达最大值,此后 U2 以最大值向零值减小,出现了 U2 小于 Uc 的情况,二极管 VD 承受反向电压而截止,于是电容器 C 通过负载 R L 放电。一般 R L 取用的工作电流很小,所以电容器放电十分缓慢, Uc 的减小也十分缓慢。由于 U L =U C ,负载上的电压变化也就十分缓慢。在 U2 负半周期间, VD 依然截止,电容器的放电电流继续流过负载,因此输出电压不再是零。下一个周期到来, U2 又由零值向最大值上升,当 U2 大于 U C 时, VD 导通,电容器又被充电到 U2 的最大值。如此周而复始,负载上的电压就会变得比较平滑,就像图上粗线条所示的波形一样。

同学:我的理解是,滤波电容器如同一个水库,在雨季水多时蓄满水,等到少雨干旱时节再向河渠中放水,保持河渠水流持续不断,您说这个比喻正确吗?
老师:很好,你的想像力很丰富。这个比喻可以帮助初学者大体上认识电容滤波器的作用。
同学:那么滤波电容器的电容量是不是越大越好呢?
老师:直流电源配用的滤波电容器都是电容量比较大的电解电容器。电容量越大,平滑滤波的效果越好。值得注意的是,电容器的充电电流都是流过二极管的,电容量越大,起始充电电流也越大,这个起始充电电流比流过二极管的正常工作电流要大许多倍,人们称它为“浪涌电流”。如果浪涌电流超过二极管所能耐受的最大瞬时电流值,就可能烧坏二极管。同学:滤波电容器的电容量选多大比较合适呢?老师:滤波电容器电容量的大小主要根据负载电流大小来选择,可以通过计算求得合适的电容量。如果负载电流不大,可以按照这样的范围(见附表)来选择,请大家记下来。

同学:从波形图(图 4 )来看,加上滤波电容器,负载上的直流电压好像提高了。
老师:是啊!靠着电容器的平滑作用,使电压波动大大减小了,相应地脉动直流电压的平均值也就显著提高了。
同学:怎么估算整流滤波电路的输出电压呢?
老师:对半波整流电路来说,接入了滤波电容器后,空载时输出直流电压 U L 与交流电压 U2 近似相等( U L ≈U2 );对全波整流电路,接上滤波电容器后,空载时 U L 可以上升到等于 U2 的 1.2 倍左右( U L ≈ 1.2U2 )。由此可见,电容滤波电路不仅使输出电压变得平滑,还提高了输出电压呢。

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