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。

經穩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通成為ON，反偏斷開成為OFF的開關。

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，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。

1.2.2 二極管開關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變為0(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(紋波因數)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

前面半波整流已經得到直流電了，但是脈動系數還很大，利用率還很低?；谶@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可以分析出它是全波的，信號如下：

根據上述的，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，最終選擇了經過D3流向負極。這里假設正極是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，正好用來承擔濾波的任務。

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應該并聯再負載兩端(串聯可不就斷路了嗎)。

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。當二極管導通的時候，有2路電流，一路通過RL構成回路;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體組成，金屬導體面積越大，距離越近電容量越大。電容量和中間絕緣體的介電常數有關。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，在兩個極板產生電場，由于電場力的作用，使兩個極板吸引電荷，當電荷產生的內電場和電路產生的外電場平衡時，電容器充電結束，電容器對于外電路呈現絕緣狀態。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，但電子沒有通過絕緣體，只是在極板上變化。

言歸正傳，那么半波整流時再增加一個濾波電容，電路輸出的波形如下：

當正半周期時，給電容器充電，充到峰值電壓(如圖藍線① ~ ②)，到達峰值電壓后二極管截止了，電容開始放電(如圖藍線② ~ ③)，電容還沒有放完二極管又導通了，又進行充電(如圖藍線③ ~ ④)，如此循環。藍線就是負載上的波形了。這時已經平滑很多了

2.1.2 利用電感+電容分析半波整流

雖然使用電容簡單濾波之后平滑很多，但是還是存在明顯的凸的地方和凹的地方。因此還不是純粹的直流電。還要再進一步過濾。這就是用電感通直流，阻交流的特性。

電感放到二極管的后面并且要與負載串聯。

這樣可以阻止交流成分(就是凹凸部分)，只讓可認為頻率為0的直流成分通過。

在主板電路實際應用中，這種電感稱作扼流圈，一般使用電感系數為10-30H左右的扼流圈。

2.1.3 利用電感通直流，阻交流的特性

也可以單獨使用電感進行濾波，負載波形與電容是一樣的。如下圖：

電感濾波電路利用電感器兩端的電流不能突變的特點，把電感器與負載串聯起來，以達到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點看，當電源提供的電流增大(由電源電壓增加引起)時，電感器L把能量存儲起來;而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流平滑，所以電感L有平波作用。

優點：整流二極管的導電角大，峰值電流小，輸出特性較平坦。

缺點：存在鐵心，笨重、體積大，易引起電磁干擾，一般只適應于低電壓、大電流的場合。