1.9 直流電的產(chǎn)生

我們在生活中大量使用直流電。如干電池、蓄電池用于收音機(jī)、手電筒等，是用于小功率的。但對于大功率的直流電氣設(shè)備，必須把交流電變成直流電。可采用整流、濾波、穩(wěn)壓的方法得到直流電。

1.9.1 整流電路

整流電路的關(guān)鍵問題是利用二極管的單相導(dǎo)電性，將交流電壓變換成單相脈動電壓。單相整流電路可分半波整流、全波整流、橋式整流、倍壓整流等。由于半波整流電路只在電源的半個周期工作，電源利用率低，輸出波形脈動較大，且電路簡單，這里不作介紹。本節(jié)只介紹常用的幾種整流電路。

1. 全波整流電路

如圖1-18（a）所示，單相全波整流是由兩個單相半波電路組成的，變壓器的次級線圈的中心抽頭把u2分成兩個大小相等、方向相反的u21和u22。

工作原理：在正弦交流電源的正半周，VD1處于正向?qū)ǎ琕D2處于反向截止，電流經(jīng)VD1、負(fù)載電阻RL回到變壓器中心抽頭O點(diǎn)，構(gòu)成回路，負(fù)載得到半波整流電壓和電流。

同理，在電源的負(fù)半周，VD2導(dǎo)通，VD1截止。電流經(jīng)VD2、RL流回到變壓器中心抽頭O點(diǎn)。負(fù)載RL又得到半波電壓和電流。

以后重復(fù)上述過程。由此可見全波整流電路的兩只二極管VD1、VD2是輪流工作的，在負(fù)載上得到的電壓和電流波形如圖1-19（a）所示。

2. 橋式整流電路

橋式整流電路如圖1-18（b）所示，單相橋式整流電路由電源變壓器T、整流二極管VD1、VD2、VD3、VD4和負(fù)載電阻RL組成。與全波整波電路一樣，變壓器將電網(wǎng)交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓，設(shè)。

當(dāng)電源電壓處于u2的正半周時，變壓器二次繞組的a端電位高于b端電位，VD1、VD3在正向電壓作用下導(dǎo)通，VD2、VD4在反向電壓作用下截止，電流從變壓器二次繞組的a端出發(fā)，經(jīng)VD1、RL、VD3，由b端返回構(gòu)成通路。有電流通過負(fù)載電阻RL，輸出電壓uO=u2。

當(dāng)電源電壓處于u2的負(fù)半周時，變壓器二次繞組的b端電位高于a端電位，VD2、VD4在正向電壓作用下導(dǎo)通，VD1、VD3在反向電壓作用下截止，電流從變壓器二次繞組的b端出發(fā)，經(jīng)VD2、RL、VD4，回到a端。有電流通過負(fù)載電阻RL，輸出電壓uO=u2。

由此可見，在交流電壓u2的整個周期內(nèi)，整流器件在正、負(fù)半周內(nèi)各導(dǎo)通一次，負(fù)載RL始終有電流通過，而且保持為同一方向，得到兩個半波電壓和電流，如圖1-19（b）所示。所以，橋式整流電路也是一種全波整流電路。

1.9.2 濾波電路

整流電路可以使交流電轉(zhuǎn)換成脈動直流電，這種脈動直流電中不僅包含直流分量，而且有交流分量。而我們需要的是直流分量，因此必須把脈動直流電中的交流分量去掉。從阻抗觀點(diǎn)看，電感線圈的直流電阻很小，而交流阻抗很大；電容器的直流電阻很大，而交流電阻很小。若將電感線圈與電容器組合起來，就能很好地濾去交流分量，留下需要的直流分量。這種組合就是濾波器。常用的濾波器有下面幾種形式，如圖1-20所示。

1. 電容濾波電路

電容濾波器電路如圖1-21（a）所示，就是在負(fù)載兩端并聯(lián)一只電容組成。

電容濾波器的工作原理：利用了電容兩端電壓不能突變的特性。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，一方面給負(fù)載RL供電，另一方面對電容器C進(jìn)行充電。充電時間常數(shù)T1=2RDC，其中RD為二極管的正向?qū)娮瑁渲捣浅Ｐ。潆婋妷?span id="a9xdodz" class="italic">uC與上升的正弦電壓u2一致，uO=uC≈u2，當(dāng)uC充電到u2的最大值 時，u2開始下降，且下降速率逐漸加快。當(dāng)u2＜uC時，四個二極管均截止，電容C經(jīng)負(fù)載電阻RL放電，放電時間常數(shù)T2=RLC，故放電較慢，直到負(fù)半周。

在負(fù)半周，當(dāng)u2＞uC時，另外兩個二極管導(dǎo)通，再次給電容C充電，當(dāng)uC充電到u2的最大值，u2開始下降，且下降速率逐漸加快，當(dāng) u2＜uC時，四個二極管再次截止，電容 C經(jīng)負(fù)載 RL放電。如此重復(fù)上述過程。負(fù)載兩端的輸出電壓波形如圖1-21（b）所示。

由上述討論可見，輸出電壓的大小和脈動程度與放電時間常數(shù)T2=RLC有關(guān)。若RL開路，電容C無放電通路，uO將一直保持最大充電電壓2 U2；若RL很小，放電時間常數(shù)很小，uC下降很快，使得輸出電壓的脈動增大。

橋式整流電容濾波后，其輸出電壓uO=（1.1～1.4）U2范圍內(nèi)，濾波電容選用幾十微法以上的電解電容，其耐壓值應(yīng)高于。

2. 電感濾波

如果要求負(fù)載電流較大時，輸出電壓uO仍較平穩(wěn)，則采用電感濾波。電感濾波電路如圖1-22（a）所示。

我們知道，電感線圈上的直流阻抗很小，所以脈動電壓中的直流分量很容易通過電感線圈，幾乎全部到達(dá)負(fù)載RL。而電感對交流的阻抗很大，所以脈動電壓中的交流分量很難通過電感線圈。由于電感L和負(fù)載RL串聯(lián)，對交流分量可看成是一個分壓器，如果選擇電感的感抗XL=ωL比負(fù)載RL大很多（如交流電源是50Hz，全波和橋式整流后的脈動頻率是100Hz，半波整流后是50Hz），那么，交流分量將大部分降在電感上，在負(fù)載RL上的交流分量就很小了。這樣就將原來脈動較大的直流輸出變?yōu)檩^平穩(wěn)的直流輸出，如圖1-22（b）實(shí)線所示。

如果RL一定，電感越大，輸出電壓波動越小，濾波效果就越好。所以電感濾波一般適用于負(fù)載變動較大、負(fù)載平均電流較大的場合。

3. 復(fù)式濾波器

通過電容濾波或電感濾波的分析，直流輸出或多或少仍有波動。在要求較高的場合，為了得到更加平滑的直流電可以采用復(fù)式濾波器。

（1）LC濾波器

我們知道，電容濾波器適用于負(fù)載較大的情況，而電感濾波器適用于負(fù)載較小的情況，如果把這兩種電路組合起來，就構(gòu)成了如圖1-23（a）所示的濾波器，它對于一般負(fù)載都適用。

在LC濾波器中，脈動電壓將經(jīng)過雙重濾波作用，使交流分量大部分被電感L阻止，即使有小部分通過了L，還要經(jīng)過電容C的濾波作用使交流分量旁路，因此在負(fù)載上的交流分量很小，從而達(dá)到濾除交流分量的目的。

（2）LC-π型濾波電路

如圖1-23（b）所示，LC-π型濾波器由C型濾波器和LC濾波器組合而成。其濾波過程：交流電整流后先經(jīng)C型濾波器濾波，然后再經(jīng)LC濾波器濾波，所以π型濾波器性能比LC和C型濾波器都要優(yōu)越，在RL上獲得的電壓將更平滑。

由于LC-π型濾波器前面接有電容，所以這種濾波器的外特性和電容濾波器相似。

（3）RC濾波器

在有些場合，如果負(fù)載電流不大，為了減輕重量、降低成本、縮小體積，可將上述兩個復(fù)式濾波器上的L用一只電阻來代替，組成RC-Γ型濾波器和RC-π型濾波器，如圖1-24所示。

在RC濾波器中，R大濾波效果好，但電阻上壓降損失也大。一般在小電流的場合，電阻通常取幾十到幾百歐，電容取幾百微法（200μF、500μF）。

在整流后需加濾波電容，濾波電容的容量需根據(jù)用電負(fù)荷的大小來選取，通常選用幾十微法至幾百微法。有些要求較高的直流電源，還需增設(shè)集成穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓，以取得紋波較小的高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源。濾波電容容量與負(fù)載電流的關(guān)系如表1-2所示，可根據(jù)輸出電流選擇濾波電容的大小。

其次要確定電容的耐壓值，耐壓值選小了，會因過壓而擊穿，選大了會增加體積和成本，可按下式確定電容的耐壓值：