基礎(chǔ)電路
一般直流穩(wěn)壓電源都使用220伏市電作為電源,經(jīng)過變壓、整流、濾波后輸送給穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓,最終成為穩(wěn)定的直流電源。這個(gè)過程中的變壓、整流、濾波等電路可以看作直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)電路,沒有這些電路對(duì)市電的前期處理,穩(wěn)壓電路將無法正常工作。
1、變壓電路
通常直流穩(wěn)壓電源使用電源變壓器來改變輸入到后級(jí)電路的電壓。電源變壓器由初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和鐵芯組成。初級(jí)繞組用來輸入電源交流電壓,次級(jí)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(zhuǎn)換器件。即初級(jí)的交流電轉(zhuǎn)化成鐵芯的閉合交變磁場(chǎng),磁場(chǎng)的磁力線切割次級(jí)線圈產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)。次級(jí)接上負(fù)載時(shí),電路閉合,次級(jí)電路有交變電流通過。變壓器的電路圖符號(hào)見圖2-3-1。
2、整流電路
經(jīng)過變壓器變壓后的仍然是交流電,需要轉(zhuǎn)換為直流電才能提供給后級(jí)電路,這個(gè)轉(zhuǎn)換電路就是整流電路。在直流穩(wěn)壓電源中利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)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(fù)載。B1次級(jí)是一個(gè)方向和大小隨時(shí)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(gè)電壓的正半周,這時(shí)B1次級(jí)上端為正下端為負(fù),二極管D1正向?qū)?,電源電壓加到?fù)載R1上,負(fù)載R1中有電流通過;π~2π期間是這個(gè)電壓的負(fù)半周,這時(shí)B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正,二極管D1反向截止,沒有電壓加到負(fù)載R1上,負(fù)載R1中沒有電流通過。在 2π~3π、3π~4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過程,這樣電源負(fù)半周的波形被“削”掉,得到一個(gè)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(shí)間變化,我們稱其為脈動(dòng)直流。
設(shè)B1次級(jí)電壓為E,理想狀態(tài)下負(fù)載R1兩端的電壓可用下面的公式求出:
(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(fù)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(duì)半波整流電路,全波整流電路多用了一個(gè)整流二極管D2,變壓器B1的次級(jí)也增加了一個(gè)中心抽頭。這個(gè)電路實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)半波整流電路組合到一起。在0~π期間B1次級(jí)上端為正下端為負(fù),D1正向?qū)ǎ娫措妷杭拥絉1上,R1兩端的電壓上端為正下端為負(fù),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(jí)上端為負(fù)下端為正,D2正向?qū)?,電源電壓加到R1上,R1兩端的電壓還是上端為正下端為負(fù),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(xù)周期中重復(fù)上述過程,這樣電源正負(fù)兩個(gè)半周的電壓經(jīng)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(fù),其波形如圖2-3-7(d)所示。
設(shè)B1次級(jí)電壓為E,理想狀態(tài)下負(fù)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(gè)整流二極管上流過的電流只是負(fù)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(xiàn)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(gè)整流二極管。由于四個(gè)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(shí),B1次級(jí)上端為正,下端為負(fù),整流二極管D4和D2導(dǎo)通,電流由變壓器B1次級(jí)上端經(jīng)過D4、R1、D2回到變壓器B1次級(jí)下端;由圖2-3-14可以看出在電源負(fù)半周時(shí),B1次級(jí)下端為正,上端為負(fù),整流二極管D1和D3導(dǎo)通,電流由變壓器B1次級(jí)下端經(jīng)過 D1、R1、D3回到變壓器B1次級(jí)上端。R1兩端的電壓始終是上正下負(fù),其波形與全波整流時(shí)一致。
設(shè)B1次級(jí)電壓為E,理想狀態(tài)下負(fù)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(gè)整流二極管上流過的電流是負(fù)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(jiǎn)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(shí)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(jí)上端為正下端為負(fù),D1導(dǎo)通,D2截止,C1通過D1充電,充電后C1兩端電壓接近B1次級(jí)電壓峰值,方向?yàn)樽蠖苏叶素?fù);由圖2-3-20可知,在電源的負(fù)半周,變壓器B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正,D1截止,D2導(dǎo)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(jí)電壓峰值之和,方向?yàn)橄露苏隙素?fù)。由于負(fù)載R1與C1并聯(lián),當(dāng)R1足夠大時(shí),R1兩端的電壓即為接近2倍B1次級(jí)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(xiàn)形式不一樣。
二倍壓電路還可以很容易的擴(kuò)展為n倍壓電路,具體電路見圖2-3-22。
3、濾波電路
交流電經(jīng)過整流后得到的是脈動(dòng)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份,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(dá)到濾波的作用。在脈動(dòng)直流波形的上升段,電容C1充電,由于充電時(shí)間常數(shù)很小,所以充電速度很快;在脈動(dòng)直流波形的下降段,電容C1放電,由于放電時(shí)間常數(shù)很大,所以放電速度很慢。在C1還沒有完全放電時(shí)再次開始進(jìn)行充電。這樣通過電容C1的反復(fù)充放電實(shí)現(xiàn)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(shí)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(duì)脈動(dòng)直流的反向電動(dòng)勢(shì)來達(dá)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(fù)載能力比較好,多用于負(fù)載電流很大的場(chǎng)合。
(3)RC濾波電路
使用兩個(gè)電容和一個(gè)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(gè)電阻R1,使交流紋波都分擔(dān)在R1上。R1和C2越大濾波效果越好,但R1過大又會(huì)造成壓降過大,減小了輸出電壓。一般R1應(yīng)遠(yuǎn)小于R2。
(4)LC濾波電路
與RC濾波電路相對(duì)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(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其電路圖見圖2-3-28。
(5)有源濾波電路
當(dāng)對(duì)濾波效果要求較高時(shí),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(shí)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(fù)載。這個(gè)電路實(shí)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(dāng)于接入一個(gè)(β+1)C1的電容進(jìn)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(jù)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(fā)射極電壓(UCE)大于1.5V即可。T1選擇時(shí)要注意耗散功率PCM必須大于UCEI,如果工作時(shí)發(fā)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(jí)應(yīng)有電容濾波等濾波電路,否則無法正常工作。
4、整流濾波電路總結(jié)
(1)常用整流電路性能對(duì)照
電路名稱 |
每個(gè)原件承受的最大反向電壓 |
每個(gè)原件的平均電流 |
變壓器次級(jí)電壓有效值 |
變壓器次級(jí) 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(fù)載兩端電壓值;I為負(fù)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(duì)照
電路名稱 |
濾波效果 |
輸出電壓 |
輸出電流 |
應(yīng)用特點(diǎn) |
電容濾波 |
稍差 |
高 |
稍小 |
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn),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(jī)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(guān)系
輸出電流 (A) |
2 |
1 |
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(jì)算表
電路名稱 (均使用電容濾波) |
輸入交流電壓(有效值) |
負(fù)載開路時(shí)輸出電壓 |
帶負(fù)載時(shí)輸出電壓(估計(jì)值) |
每個(gè)二極管的最大反向電壓 |
每個(gè)二極管通過的電流 |
需要使用的二極管數(shù)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 |