整流滤波电路问答式讲解

整流滤波电路问答式讲解

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无线电小组的同学们完成了整流滤波电路（图 1 ）的制作，经过测试，给半导体收音机供电，效果很不错。接着，老师对大家提出的问题进行了答疑，并与同学们一起展开了讨论。

学生：“整流”是利用二极管的单方向导电特性，把方向来回变化的交流电变换成单一方向的直流电，如果就用一只二极管，能不能构成整流电路呢？
老师：用一只二极管可以组成最简单的整流电路，见图 2 。大家知道，我们日常所用的交流电，是由电力网供给的 220V 、 50Hz 的正弦波交流电，用 U1 表示，为了适应负载需要的低电压，就要利用电源变压器 T 把 U1 变换成 U2 。在 U2 的正半周，变压器副边 A 端为正、 B 端为负，二极管 VD 承受正向电压而导通，负载 R L 两端得到了 U2 的正半周；当 U2 变为负半周时，变压器副边 A 端为负、 B 端为正，二极管 VD 承受反向电压而截止，负载 R L 上没有电流，电压也等于零。这种整流电路只利用了交流电波形的一半，另一半白白地“浪费”了，所以称它为“半波整流”。

  学生：这么说负载两端的电压 U L 等于交流电压 U2 的一半了？
  老师：半波整流电路中 U L 和 U2 的关系需要给大家讲清楚。大家已经注意到，负载两端的电压 U L 不是平滑的直流电压，它的大小时时刻刻在变化着，我们管它叫“脉动直流电压”。用万用表的直流电压挡可以测出 U L 的大小，叫做脉动直流电压的平均值。根据理论分析，半波整流电路负载上脉动直流电压的平均值 U L ，在数值上等于变压器副边交流电压 U2 的 45 ％，也就是 U L =0.45U2 。半波整流电路整流效率很低，输出电压脉动度很大，在电源电路中很少应用。
  学生：今天制作的用 4 只二极管组成的整流电路，我们还是看不明白，您能讲讲它的工作原理吗？
  老师：好。大家看示教板（图 1 ）。当交流电压 U2 出现正半周时， A 端为正、 B 端为负，也就是 A 端为高电位， B 端为低电位，电流总是从高电位点流向低电位点的，所以我们以 A 端出发，到 1 点时，有 VD 1 、 VD4 两条支路，由于 VD4 的阴极连着高电位的 A 端，所以 VD4 截止， VD1 导通，电流通过 VD1 到了 2 点，电流不可能由 VD2 的阴极流向阳极，所以 VD2 不通，若不考虑电容 C 的存在，则电流只能流向负载 R L ，经 R L 流到 4 点，并通过 VD3 流向 B 端。
  学生：老师，在 4 点连接着 VD3 、 VD4 两个二极管的阳极，这两个二极管不是都能导通吗？
  老师：问题提得好。同学们一定要记住，分析电路要抓住电路中最高电位点和最低电位点，这样才能找出正确的电流流通路径。这里， A 端电位最高， B 端电位最低，所以电流不可能由 4 点经过 VD4 流向高电位的 A 端， VD4 是处于截止状态的，正如同河水不可能从下游向上游流动一样。大家明白了吗？
  同学：明白啦！
  老师：现在你给大家分析一下 U2 负半周时电流的流通情况。
  同学：交流电压 U2 为负半周时，应该是 B 端为最高电位点， A 端为最低电位点。电流从 B 端出发，在 3 点处 VD2 导通、 VD3 截止，电流通过 VD2 到了 2 点，因为 VD1 截止，电流只能流向负载 R L ，经过 R L 流到 4 点，在 4 点 VD3 截止、 VD4 导通，电流经过 VD4 流回最低电位点 A 端。
  老师：你分析得很正确。为了使大家看得更清楚，我们把处于导通状态的二极管近似看成接通的开关，把处于截止状态的二极管近似看成断开的开关，画出图来（图 3 ），电流在 U2 正半周和负半周的流通路径也就一目了然了。从电路图上大家可以看到， U2 的正半周和负半周期间都有电流流过负载，而且它们的方向都是从 C 端流向 D 端，这不就把方向交替变化的交流电更换成单一方向的直流电了吗！由于这种整流电路把交流电的正、负两个半周全部利用了起来，所以管它叫“全波整流电路”。

  同学：全波整流电路的输出电压 U2 是不是等于半波整流输出电压的一倍呢？
  老师：对。全波整流电路负载上脉动直流电压的平均值 U L ，在数值上等于交流电压 U2 的 90 ％，就是 U L =0.9U2 ，比半波整流提高了一倍，电压的脉动度也大大减小了。
  同学：为什么整流电路的输出端需要并联一个电容器呢？
  老师：大家知道，整流电路输出的是脉动直流电压，假如直接用它给半导体收音机供电，扬声器里放出的是“嗡、嗡”的交流声，把有用的电信号全给淹没了。在整流电路输出端并联一个电容器 C （图 1 ），可以对脉动直流电压起到一种平滑作用，所以称它为“平滑滤波器”。
  同学：您能给我们详细讲讲电容滤波电路的工作原理吗？
  老师：好的。我先问问你们，电容器在电路中的主要作用是什么呢？
  同学：充电和放电。
  老师：对。平滑滤波也是利用电容器的充电作用和放电作用。需要注意的是，电容器两端的电压由低变高时，电容器进行充电；电容器两端的电压由高变低时，电容器进行放电。现在我们以半波整流电路（图 4a ）为例，说明电容滤波的工作原理。画出脉动直流电压 U L 的波形图（图 4 － b ）。在 U2 正半周时，二极管 VD 导通，流过二极管的电流有一部分流入负载 R L ，另一部分对电容器 C 充电，由于充电回路电阻很小，电容器两端的电压 Uc 差不多跟随 U2 同时到达最大值，此后 U2 以最大值向零值减小，出现了 U2 小于 Uc 的情况，二极管 VD 承受反向电压而截止，于是电容器 C 通过负载 R L 放电。一般 R L 取用的工作电流很小，所以电容器放电十分缓慢， Uc 的减小也十分缓慢。由于 U L =U C ，负载上的电压变化也就十分缓慢。在 U2 负半周期间， VD 依然截止，电容器的放电电流继续流过负载，因此输出电压不再是零。下一个周期到来， U2 又由零值向最大值上升，当 U2 大于 U C 时， VD 导通，电容器又被充电到 U2 的最大值。如此周而复始，负载上的电压就会变得比较平滑，就像图上粗线条所示的波形一样。

  同学：我的理解是，滤波电容器如同一个水库，在雨季水多时蓄满水，等到少雨干旱时节再向河渠中放水，保持河渠水流持续不断，您说这个比喻正确吗？
  老师：很好，你的想像力很丰富。这个比喻可以帮助初学者大体上认识电容滤波器的作用。
  同学：那么滤波电容器的电容量是不是越大越好呢？
  老师：直流电源配用的滤波电容器都是电容量比较大的电解电容器。电容量越大，平滑滤波的效果越好。值得注意的是，电容器的充电电流都是流过二极管的，电容量越大，起始充电电流也越大，这个起始充电电流比流过二极管的正常工作电流要大许多倍，人们称它为“浪涌电流”。如果浪涌电流超过二极管所能耐受的最大瞬时电流值，就可能烧坏二极管。同学：滤波电容器的电容量选多大比较合适呢？老师：滤波电容器电容量的大小主要根据负载电流大小来选择，可以通过计算求得合适的电容量。如果负载电流不大，可以按照这样的范围（见附表）来选择，请大家记下来。

  同学：从波形图（图 4 ）来看，加上滤波电容器，负载上的直流电压好像提高了。
  老师：是啊！靠着电容器的平滑作用，使电压波动大大减小了，相应地脉动直流电压的平均值也就显著提高了。
  同学：怎么估算整流滤波电路的输出电压呢？
  老师：对半波整流电路来说，接入了滤波电容器后，空载时输出直流电压 U L 与交流电压 U2 近似相等（ U L ≈U2 ）；对全波整流电路，接上滤波电容器后，空载时 U L 可以上升到等于 U2 的 1.2 倍左右（ U L ≈ 1.2U2 ）。由此可见，电容滤波电路不仅使输出电压变得平滑，还提高了输出电压呢。

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