詳解直流穩壓電源的基礎電路

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、濾波後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。

1、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後級電路的電壓。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1。

圖1變壓器電路圖符號

2、整流電路

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

(1)半波整流電路

半波整流電路見下圖。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極體，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，二極體D1正嚮導通，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，二極體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等後續周期中重複上述過程，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3所示。由於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。

圖2半波整流電路圖

圖3半波整流波形圖

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：

整流二極體D1承受的反向峰值電壓為：

由於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

由於半波整流電路的效率較低，於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4。相對半波整流電路，全波整流電路多用了一個整流二極體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正嚮導通，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5所示，其電流流向如圖6所示；在π～2π期間B1次級上端為負下端為正，D2正嚮導通，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5所示，其電流流向如圖7所示。在2π～3π、3π～4π等後續周期中重複上述過程，這樣電源正負兩個半周的電壓經過D1、D2整流後分別加到R1兩端，R1上得到的電壓總是上正下負，其波形如圖5所示。

圖4全波整流電路圖

圖5全波整流波形圖

圖6全波整流電路電流流向圖

圖7全波整流電路電流流向圖

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：

整流二極體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體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

由於全波整流電路需要特製的變壓器，製作起來比較麻煩，於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體。由於四個整流二極體連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。

圖8橋式整流電路圖

由圖9可以看出在電源正半周時，B1次級上端為正，下端為負，整流二極體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10可以看出在電源負半周時，B1次級下端為正，上端為負，整流二極體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。

圖9橋式整流電路電流流向圖

圖10橋式整流電路電流流向圖

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：

整流二極體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體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11的形式。

圖11橋式整流簡化電路圖

(4)倍壓整流電路

前面介紹的三種整流電路輸出電壓都小於輸入交流電壓的有效值，如果需要輸出電壓大於輸入交流電壓有效值時可以採用倍壓電路，見圖12。由圖13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，充電後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14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，充電後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。由於負載R1與C1並聯，當R1足夠大時，R1兩端的電壓即為接近2倍B1次級電壓。

圖12二倍壓整流電路圖

圖13二倍壓整流電流流向圖

圖14二倍壓整流電流流向圖

二倍壓整流電路還有另外一種形式的畫法，見圖15，其原理與圖12完全一致，只是表現形式不一樣。

圖15二倍壓整流電路圖(另一種形式)

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16。

圖16 n倍壓整流電路圖

3、濾波電路

交流電經過整流後得到的是脈動直流，這樣的直流電源由於所含交流紋波很大，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，讓整流後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17，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，由於充電時間常數很小，所以充電速度很快；在脈動直流波形的下降段，電容C1放電，由於放電時間常數很大，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的反覆充放電實現了濾波作用。濾波電容C1兩端的電壓波形見圖18。

圖17 電容濾波電路

圖18 電容濾波電路波形圖

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19。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，多用於負載電流很大的場合。

圖19 電感濾波電路

(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20所示。這種濾波電路由於增加了一個電阻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應遠小於R2。

圖20 RC濾波電路

(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21。

圖21 LC濾波電路

(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22，其中電阻R1是三極體T1的基極偏流電阻，電容C1是三極體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體T1的放大作用，將C1的容量放大β倍，即相當於接入一個(β+1)C1的電容進行濾波。

圖22 有源濾波電路

圖22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)大於1.5V即可。T1選擇時要注意耗散功率PCM必須大於UCEI，如果工作時發熱較大則需要增加散熱片。

有源濾波電路屬於二次濾波電路，前級應有電容濾波等濾波電路，否則無法正常工作。

4、整流濾波電路總結

(1)常用整流電路性能對照

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

(2)常用無源濾波電路性能對照

(3)電容濾波電路輸出電流大小與濾波電容量的關係

(4)常用整流濾波電路計算表