【开关电源篇】整流及其滤波电路的工作原理和设计指南-超简单解读

开关电源之整流电路

      1. 什么是半波整流电路?
      • 1.1 电路结构与工作原理
      • 1.2 输出特性分析
      1. 全波整流电路如何工作?
      • 2.1 电路结构特点
      • 2.2 工作过程分析
      • 2.3 优缺点对比
      1. 桥式整流电路有什么优势?
      • 3.1 电路组成
      • 3.2 工作原理详解
      • 3.3 性能特点
      1. 什么是倍压整流电路?
      • 4.1 二倍压整流原理
      • 4.2 多倍压整流电路
      • 4.3 应用限制
      1. 滤波电路有哪些类型?
      • 5.1 电容滤波电路
      • 5.2 电感滤波电路
      • 5.3 RC滤波电路(又称π型滤波)
      • 5.4 LC滤波电路
      1. 实践应用建议

要说整流电路,半波整流是最简单、最基础的一位老大哥,虽然效率不高,但理解它是学好其他整流电路的关键。

1. 什么是半波整流电路?

半波整流是一种利用二极管的单向导通特性 ,将交流电转换为直流电的基础电路。它通过"切除"交流电的半个周期,仅保留另外半个周期来实现整流。

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1.1 电路结构与工作原理

  • 核心元件:电源变压器T1、整流二极管VD1、负载电阻R1
  • 正半周工作过程
    • 交流电压正半周时,VD1正极电压高于负极(0V),二极管正向偏置而导通
    • 电流路径:T1二次绕组上端 → VD1正极 → VD1负极 → R1 → 地端 → T1二次绕组下端
      你看,负载R1上就得到了一个只有正半周的电压,这就完成了'整流'的第一步
  • 负半周工作过程

    • 交流电压负半周时,VD1正极电压低于负极,二极管反向偏置而截止
    • 电路中无电流,输出电压为零
      正因为'浪费'了半个周期的电,所以它的输出电压低,波动(纹波)大,就像人一条腿走路,既慢又不稳,一般只用在一些要求不高的小功率电器里。

1.2 输出特性分析

特性类型 具体表现
输出电压极性 正极性(上正下负)
电压波形 单向脉动直流电压
波形特征 仅保留输入电压的正半周波形

关键提示:半波整流电路结构简单,但输出纹波大、效率低,适用于对电源质量要求不高的场合。

2. 全波整流电路如何工作?

全波整流(半桥式整流)克服了半波整流只能利用半个周期的缺点,显著提高了电能利用率。

2.1 电路结构特点

  • 变压器次级采用中心抽头结构,形成两组匝数相等的线圈
  • 使用两只整流二极管(VD1、VD2)
  • 负载RL连接在中心抽头与二极管共接点之间
    这个中心抽头,就像变压器次级线圈的'中间头',把它接地,上下两半线圈就能分别工作了

2.2 工作过程分析

正半周 负半周 交流输入 判断半周 VD2导通 VD1截止 VD1导通 VD2截止 电流经VD2到RL到中心抽头 电流经VD1到RL到中心抽头 输出正电压

2.3 优缺点对比

优点 缺点
市电利用率高 变压器利用率较低
输出纹波较小 需要中心抽头变压器
输出直流电压较高 二极管反向电压要求高

因为每次只用一半线圈工作,另一闲着,所以变压器没有物尽其用

3. 桥式整流电路有什么优势?

桥式整流电路是目前应用最广泛的整流方案,它综合了效率与成本的优势。

3.1 电路组成

· 1个电源变压器

· 4只整流二极管(组成电桥形式)

· 1个负载电阻
桥式整流就像四个工人(二极管)两两一组轮班倒,保证电流总能从正极进去,从负极出来。它虽然多用了2个二极管,但省去了昂贵的中心抽头变压器,总体成本更低,所以成了现在最流行的整流方案。

3.2 工作原理详解

正半周电流路径:

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T次级上端 → VD1 → RL → VD3 → T次级下端

负半周电流路径:

复制代码
T次级下端 → VD2 → RL → VD4 → T次级上端

3.3 性能特点

· 优点:变压器无需中心抽头、二极管反向电压要求较低

· 缺点:需要4只二极管,导通压降较大(约1.4V)

· 适用场合:大多数电源适配器、电子设备电源模块

4. 什么是倍压整流电路?

倍压整流适用于需要高电压、小电流的特殊场合,通过电容充放电实现电压倍增。

4.1 二倍压整流原理

· 正半周:VD1导通,C1充电至接近U2峰值(左负右正)

· 负半周:VD2导通,U2与C1电压串联(约2倍U2)向C2充电
正半周时,电源先给C1'充能';到了负半周,电源和已经'充好能'的C1手拉手(电压串联)一起给C2充电,这样C2上的电压就差不多是电源电压的两倍

4.2 多倍压整流电路

通过增加二极管和电容的数量,可以实现三倍、四倍甚至更高倍数的电压输出:

4.3 应用限制

· 仅适用于负载电流较小的场合

· 负载电流增大时,输出电压下降明显

· 常用于高压发生器、静电设备等特殊应用
这种电路'劲儿小',只能输出很小的电流。你要是想让它带个大负载(比如接个电机),它的电压'唰'一下就掉下来了,所以只能用在高压、小电流的地方,比如电蚊拍、老显像管电视的高压部分。

5. 滤波电路有哪些类型?

整流后的脉动直流含有大量交流纹波,必须通过滤波电路使其平滑。

5.1 电容滤波电路

​​

· 工作原理:利用电容的充放电特性

· 电压上升段:快速充电(时间常数小)

· 电压下降段:缓慢放电(时间常数大)
电容像个'小水库',电压高时(峰值)它就'蓄水'(充电),电压低时它就'放水'(放电)来维持水位(电压),让水流(电流)变得更平稳。

· 滤波电容选择公式:

复制代码
RC ≥ (3~5)T/2

其中:R为负载电阻,T为交流电周期

5.2 电感滤波电路

· 工作原理:利用电感对变化的电流产生反向电动势

· 特点:带负载能力强,适用于大电流场合

· 缺点:体积大、成本高、有电磁干扰

5.3 RC滤波电路(又称π型滤波)


R1承载了交流纹波,R1和C2越大,效果越好。但R1过大又会导致压降过大,影响输出电压。

· 优点:滤波效果好于单一电容滤波

· 缺点:电阻R1会产生压降和功耗

· 设计要点:R1小于负载电阻R₂,但要不大不小找个平衡点
这个电阻R1是'拦路虎',主要是让它来承担纹波电压。但如果它太大,不光纹波压降大,有用的直流电压也损失得多,所以得选一个不大不小的合适值。

5.4 LC滤波电路


· 综合优势:结合了电容滤波(纹波小)和电感滤波(带载能力强)的优点

· 应用场合:对电源质量要求较高的设备
LC滤波是'豪华配置',L(电感)通直流、阻交流,先把大的交流纹波挡住;C(电容)再把剩下的小波纹吸掉,效果最好,常用在高级音响、精密仪器里。

6. 实践应用建议

  1. 二极管选型:反向耐压值至少为变压器输出电压的2倍以上
  2. 滤波电容选择:
    · 耐压值:大于输出电压的1.5倍
    · 容量选择:根据负载电流和允许的纹波大小计算,通常几百到几千微法
  3. 安全考虑:大容量电容需并联放电电阻,确保维修安全
  4. 纹波测量:使用示波器AC耦合模式观察纹波电压,应小于输出电压的5%
  5. 常见整流对比

通过掌握这些整流与滤波电路的基础知识,您已经迈入了开关电源维修的大门。
以后碰到电源无输出、输出电压低、纹波大的故障,就可以按照这个思路:先查保险丝,再测整流桥(四个二极管)有没有击穿短路,最后查滤波电容有没有鼓包、失效。

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