干貨 | 一文通吃整流濾波電路

電子工程世界EEWorld

2021年7月20日 11:25

基礎電路：一般直流穩壓電源都使用220伏市電作為電源，經過變壓、整流、濾波后輸送給穩壓電路進行穩壓，最終成為穩定的直流電源。這個過程中的變壓、整流、濾波等電路可以看作直流穩壓電源的基礎電路，沒有這些電路對市電的前期處理，穩壓電路將無法正常工作。

01 變壓電路

通常直流穩壓電源使用電源變壓器來改變輸入到后級電路的電壓。電源變壓器由初級繞組、次級繞組和鐵芯組成。初級繞組用來輸入電源交流電壓，次級繞組輸出所需要的交流電壓。通俗的說，電源變壓器是一種電→磁→電轉換器件。即初級的交流電轉化成鐵芯的閉合交變磁場，磁場的磁力線切割次級線圈產生交變電動勢。次級接上負載時，電路閉合，次級電路有交變電流通過。變壓器的電路圖符號見圖2－3－1。

02 整流電路

經過變壓器變壓后的仍然是交流電，需要轉換為直流電才能提供給后級電路，這個轉換電路就是整流電路。在直流穩壓電源中利用二極管的單項導電特性，將方向變化的交流電整流為直流電。

1）半波整流電路

半波整流電路見圖2－3－2。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極管，R1是負載。B1次級是一個方向和大小隨時間變化的正弦波電壓，波形如圖 2－3－3（a）所示。0～π期間是這個電壓的正半周，這時B1次級上端為正下端為負，二極管D1正向導通，電源電壓加到負載R1上，負載R1中有電流通過；π～2π期間是這個電壓的負半周，這時B1次級上端為負下端為正，二極管D1反向截止，沒有電壓加到負載R1上，負載R1中沒有電流通過。在 2π～3π、3π～4π等后續周期中重復上述過程，這樣電源負半周的波形被“削”掉，得到一個單一方向的電壓，波形如圖2－3－3（b）所示。由于這樣得到的電壓波形大小還是隨時間變化，我們稱其為脈動直流。

設B1次級電壓為E，理想狀態下負載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1承受的反向峰值電壓為：

由于半波整流電路只利用電源的正半周，電源的利用效率非常低，所以半波整流電路僅在高電壓、小電流等少數情況下使用，一般電源電路中很少使用。

2）全波整流電路

由于半波整流電路的效率較低，于是人們很自然的想到將電源的負半周也利用起來，這樣就有了全波整流電路。全波整流電路圖見圖2－3－6。相對半波整流電路，全波整流電路多用了一個整流二極管D2，變壓器B1的次級也增加了一個中心抽頭。這個電路實質上是將兩個半波整流電路組合到一起。在0～π期間B1次級上端為正下端為負，D1正向導通，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓上端為正下端為負，其波形如圖2－3－7（b）所示，其電流流向如圖2－3－8所示；在π～2π期間B1次級上端為負下端為正，D2正向導通，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓還是上端為正下端為負，其波形如圖2－3－7（c）所示，其電流流向如圖2－3－9所示。在2π～3π、3π～4π等后續周期中重復上述過程，這樣電源正負兩個半周的電壓經過D1、D2整流后分別加到R1兩端，R1上得到的電壓總是上正下負，其波形如圖2－3－7（d）所示。

設B1次級電壓為E，理想狀態下負載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：

全波整流電路每個整流二極管上流過的電流只是負載電流的一半，比半波整流小一倍。

3）橋式整流電路

由于全波整流電路需要特制的變壓器，制作起來比較麻煩，于是出現了一種橋式整流電路。這種整流電路使用普通的變壓器，但是比全波整流多用了兩個整流二極管。由于四個整流二極管連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。

由圖2－3－13可以看出在電源正半周時，B1次級上端為正，下端為負，整流二極管D4和D2導通，電流由變壓器B1次級上端經過D4、R1、D2回到變壓器B1次級下端；由圖2－3－14可以看出在電源負半周時，B1次級下端為正，上端為負，整流二極管D1和D3導通，電流由變壓器B1次級下端經過 D1、R1、D3回到變壓器B1次級上端。R1兩端的電壓始終是上正下負，其波形與全波整流時一致。

設B1次級電壓為E，理想狀態下負載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：

橋式整流電路每個整流二極管上流過的電流是負載電流的一半，與全波整流相同。

通常情況下橋式整流電路都簡化成圖2－3－17的形式。

4）倍壓整流電路

前面介紹的三種整流電路輸出電壓都小于輸入交流電壓的有效值，如果需要輸出電壓大于輸入交流電壓有效值時可以采用倍壓電路，見圖2－3－18。由圖 2－3－19可知，在電源的正半周，變壓器B1次級上端為正下端為負，D1導通，D2截止，C1通過D1充電，充電后C1兩端電壓接近B1次級電壓峰值，方向為左端正右端負；由圖2－3－20可知，在電源的負半周，變壓器B1次級上端為負下端為正，D1截止，D2導通，C2通過D1充電，充電后C2兩端電壓接近C1兩端電壓與B1次級電壓峰值之和，方向為下端正上端負。由于負載R1與C1并聯，當R1足夠大時，R1兩端的電壓即為接近2倍B1次級電壓。

二倍壓整流電路還有另外一種形式的畫法，見圖2－3－21，其原理與圖2－3－18完全一致，只是表現形式不一樣。

二倍壓電路還可以很容易的擴展為n倍壓電路，具體電路見圖2－3－22。

03 濾波電路

交流電經過整流后得到的是脈動直流，這樣的直流電源由于所含交流紋波很大，不能直接用作電子電路的電源。濾波電路可以大大降低這種交流紋波成分，讓整流后的電壓波形變得比較平滑。

1）電容濾波電路

電容濾波電路圖見圖2－3－23，電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用。在脈動直流波形的上升段，電容C1充電，由于充電時間常數很小，所以充電速度很快；在脈動直流波形的下降段，電容C1放電，由于放電時間常數很大，所以放電速度很慢。在C1還沒有完全放電時再次開始進行充電。這樣通過電容C1的反復充放電實現了濾波作用。濾波電容C1兩端的電壓波形見圖2－3－24（b）。

選擇濾波電容時需要滿足下式的條件：

2）電感濾波電路

電感濾波電路圖見圖2－3－26。電感濾波電路是利用電感對脈動直流的反向電動勢來達到濾波的作用，電感量越大濾波效果越好。電感濾波電路帶負載能力比較好，多用于負載電流很大的場合。

3）RC濾波電路

使用兩個電容和一個電阻組成RC濾波電路，又稱π型RC濾波電路。見圖2－3－27所示。這種濾波電路由于增加了一個電阻R1，使交流紋波都分擔在R1上。R1和C2越大濾波效果越好，但R1過大又會造成壓降過大，減小了輸出電壓。一般R1應遠小于R2。

4）LC濾波電路

與RC濾波電路相對的還有一種LC濾波電路，這種濾波電路綜合了電容濾波電路紋波小和電感濾波電路帶負載能力強的優點。其電路圖見圖2－3－28。

5）有源濾波電路

當對濾波效果要求較高時，可以通過增加濾波電容的容量來提高濾波效果。但是受電容體積限制，又不可能無限制增大濾波電容的容量，這時可以使用有源濾波電路。其電路形式見圖2－3－29，其中電阻R1是三極管T1的基極偏流電阻，電容C1是三極管T1的基極濾波電容，電阻R2是負載。這個電路實際上是通過三極管T1的放大作用，將C1的容量放大β倍，即相當于接入一個（β+1）C1的電容進行濾波。

圖2－3－29中，C1可選擇幾十微法到幾百微法；R1可選擇幾百歐到幾千歐，具體取值可根據T1的β值確定，β值高，R可取值稍大，只要保證T1的集電極－發射極電壓（UCE）大于1.5V即可。T1選擇時要注意耗散功率PCM必須大于UCEI，如果工作時發熱較大則需要增加散熱片。

有源濾波電路屬于二次濾波電路，前級應有電容濾波等濾波電路，否則無法正常工作。

04 整流濾波電路總結

1）常用整流電路性能對照

電路名稱	每個原件承受的最大反向電壓	每個原件的平均電流	變壓器次級電壓有效值	變壓器次級電流有效值
半波整流	3.14U	I	2.221U＋e	1.571I
全波整流	3.14U	0.5I	1.111U＋e	0.786I
橋式整流	1.571U	0.5I	1.111U＋2e	1.111I

注：U為負載兩端電壓值；I為負載上電流值；e為整流二極管壓降，一般取0.7V。

2）常用無源濾波電路性能對照

電路名稱	濾波效果	輸出電壓	輸出電流	應用特點
電容濾波	稍差	高	稍小	結構簡單。由于大容量濾波電容的廣泛使用，克服了濾波效果稍差的缺點，廣泛用于各類電源電路。
電感濾波	較差	低	大	電源電路中較少使用。
RC濾波	較好	較高	小	常用于電子管收音機電路和各種高低頻退耦電路。
LC濾波	很好	高	稍小	電源電路中較少使用。

3）電容濾波電路輸出電流大小與濾波電容量的關系

輸出電流

（A）

0.5～1

0.1～0.5

0.05～1

0.05

電容量

（μF）

4000

2000

1000

500

200～500

200

4）常用整流濾波電路計算表

電路名稱（均使用電容濾波）	輸入交流電壓（有效值）	負載開路時輸出電壓	帶負載時輸出電壓（估計值）	每個二極管的最大反向電壓	每個二極管通過的電流	需要使用的二極管數量
半波整流	E	1.414E	E	2.828E	I	1
全波整流	2E	1.414E	1.2E	2.828E	0.5I	2
橋式整流	E	1.414E	1.2E	1.414E	0.5I	4
二倍壓	E	2.828E	2E	2.828E	I	2