模拟电路中的模拟电路--整流杂谈

类别:模拟电路 发布于:2017/2/21 | 1084 次阅读

  模拟电路教材中一般都会讲到整流电路,但通常很简略,只有一页两页篇幅,往往是只讲小功率电子设备中最常见的整流电路。某些教材甚至只讲桥式整流,不讲全波整流电路。
  实际上,整流电路看上去简单,里面的变化和计算却相当复杂。
  最简单的整流电路,是半波整流电路,如图01。严格地说,图01包括了整流输出端的电容,已经是整流滤波电路了。


  然而,这个最简单的半波整流电路是有一些问题的,其变压器需要特殊设计。很可能正是由于这个原因,康华光的《电子技术基础.模拟部分》第四版和第五版都不讲半波整流电路,回避了这个问题。
  关于半波整流变压器工作问题,后面我们会详谈,此处暂先搁置。
  图02是所谓全波整流电路,它可以看成是同一个变压器的两个二次绕组构成两个半波整流电路合成的。绕组A1和A2匝数相同,绕在同一个铁芯上,两绕组极性如图标示。实际上,绕组A1和绕组A2是一个绕组,相联接处是这个绕组的中心点,或者叫中心抽头。


  在工频交流的半周期,假定绕组有点的那端为正,绕组A1工作,但绕组A2因二极管D2反向而没有电流通过,A2在此半个周期内如同不存在一般。下半个周期,交流电压方向相反,绕组A2工作,A1因二极管D1反向而没有电流。所以绕组A1和A2在交流的两半个周期内交替工作,在半个周期内A1和A2的工作都和半波整流一样。所以我们可以说全波整流是由同一个变压器的两个二次绕组构成两个半波整流合成的。
  图02的全波整流电路,若是两支二极管都反过来,就成了图03电路。


  图03电路与图02电路的区别仅在于图02中负载ZL的负端和变压器二次绕组中心点相联接,而图03中负载的正端和变压器二次绕组中心点相联接。
  图02的整流电路,可以称之为正全波整流,因负载负端与二次绕组中心点联接。图03的整流电路,可以称之为负全波整流,因负载正端与二次绕组中心点联接。
  把图02的正全波整流电路和图03的负全波整流电路放到一起看,如图04


  我们发现,虽然右边的整流电路不同,但变压器是完全相同的。
  那么我们把图03的负全波整流电路左半边变压器剪下来:


  再贴到图02的正全波整流电路中去,让C、E、D三点与A、E、B三点联接,就成了图06上面部分的电路。它即具有正全波整流输出,同时又具有负全波整流输出。换言之,这是一个具有正负输出的电源,且正负输出电压相等。


  图06上面部分的正负全波整流电路,如果仔细看看,和图06下面的电路完全相同。
  但图06下面电路绝不是桥式整流电路,形似而已。图06下面的电路,是两个全波整流电路的组合。
  如果将该图中下面电路负电源负载断开,那么绕组A1中仅有向上的电流,A2中仅有向下的电流。若正电源负载断开,那么绕组A1中仅有向下的电流,A2中仅有向上的电流。由此可见,图06下面的整流电路不是桥式整流电路,而是两个全波整流电路的组合。


   除了直流电动机这类非常简单粗糙的负载以外,电子设备中的整流电路都需要配合滤波电路,整流后的电压电流经滤波后才能够供电子设备使用。

  上图是全波整流电容滤波的典型电路。图中C是滤波电容,ZL代表负载。

  如果我们把示波器接到滤波电容C的两端,我们将看到下面这样的波形。

    

 

  电容C两端的电压是起伏的,这个起伏一般称为纹波。

  如果我们使用双踪示波器,另一通道接到图01中的M点,两通道使用相同的灵敏度,那么两通道电压波形如下:

    

 

  我们看到,绕组A1两端电压(黑色)在峰值附近有一段接近于与纹波(蓝色)上面的一个“鼓包”重合。

  蓝色曲线是电容C两端电压,C两端电压在“鼓包”处上升。电容两端电压上升说明该电容正在被充电。这个充电电流是从哪里来的?显然,是因为绕组A1两端电压瞬时值超过电容两端电压,所以是绕组A1经过整流二极管D1对电容C充电。

  当绕组A1两端电压经过最大点而下降,低于电容C两端电压时,绕组A1当然就不会对电容充电。此阶段电容对负载放电,两端电压逐渐下降。

  从M点电压波形和电容两端电压波形的时间关系,可以想见:M点电压波形谷值(反方向最大值)时电容两端电压波形上的“鼓包”是另一半绕组A2的N点经二极管D2对电容C充电。

  如果我们使用更多踪多示波器,而且可以测量电流,那么变压器二次绕组中点K处多电流波形和绕组电动势以及电容两端电压关系如图04:

    

 

  图中蓝色曲线是电容C两端电压,红色曲线是地线到变压器中点K处的电流。

  为了分析全波整流电容滤波电路的工作,我们在图04中加上注释符号,如图05。

  在图05的分析中,我们假定二极管是理想二极管,正向压降为零。

    

 

  图05中,黑色曲线是两半个二次绕组的电动势(开路电压),不是两半个绕组的端电压。电动势曲线在横轴下面部分没有画出。蓝色曲线是电容C两端电压,红色曲线是两半个绕组中的电流。

  任取半个工频周期,时刻t1之前变压器二次绕组电动势小于电容两端电压,两支二极管中均无电流,负载靠电容放电维持其中的电流。时刻t1开始绕组电动势大于电容两端电压,绕组A2通过二极管D2对电容C充电,红色曲线开始上升。随着二次绕组电动势增加,电流也迅速变大,电容两端电压增加。在t1到t2这段时间内,二次绕组不仅为电容充电,同时也为负载供电。待到二次绕组电动势开始下降时,充电电流迅速变小,直到二次绕组电动势低于电容两端电压时,充电停止,二次绕组中电流为零。时刻t2之后,电容向负载放电以维持负载中电流,电容两端电压降低。

  图中我们看到,t1到t2这段时间内,绕组电动势和电容两端电压稍有差别,黑色曲线略高于蓝色曲线。这是因为绕组总有一定电阻,会降掉一部分电压,而且绕组中电流越大,电压降落越厉害。两曲线之差就是绕组电阻的压降。

  下半个工频周期内,前述过程重复,只不过下半个周期改由绕组A1和二极管D1在时刻t3开始对电容充电,到时刻t4结束。时刻t2到时刻t3这段时间绕组中没有电流,全靠电容对负载放电维持负载中的电流。

  两半个二次绕组A1和A2交替通过二极管对电容充电,然后电容对负载放电,这就是全波整流电容滤波的工作过程。

  我们看到,电容滤波电路中,变压器绕组中电流是断续的,是一个一个比较窄的脉冲。电流不连续,呈脉冲形式,这是电容滤波的特点。