整流电路中，如何把交流电路变成直流电

在电子电路中，大多数都是需要直流稳压电源来进行驱动工作的。比如，在放大电路中直流稳压一方面要为电路工作建立合适的静态工作点，另一方面还要为信号的放大提供所需的能量。发电设备输出的是交流电，对于小功率情况，要变成稳定的直流电还需要通过降压、整流、滤波和稳压等几个环节的处理。下面简单讲讲整流电路和滤波电路的一些工作原理和特点。

整流电路

所谓整流电路，就是把交流电路变成直流电。对于小功率情况，可以直接利用二极管的单向导电性来实现整流。如果输入的是正弦交流电，经二极管整流后，输出的是脉动的直流电，但这种直流电中也含有大量交流成分。

1.大致介绍一个最简单的单相半波整流电路(假设负载为纯电阻负载，理想二极管)。

工作原理：

当V2处于正半周期时，二极管VD正向导通，忽略二极管上的管压降，输出V0=V2。

当V2处于负半周期时，二极管VD反向截止，电路中没有电流，输出电压V0=0。

综上：在整个周期内，二极管VD只在V2的正半周期导通，此时的输出电压跟随输入电压变换;而在V2的负半周期没有信号输出。所以电路进行的是半波整流。

2.再说一个单相桥式整流电路。

工作原理：

当V2处于正半周期时，二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流从上向下流过负载。

当V2处于负半周期时，二极管VD2和VD4导通，VD1和VD3截止，电流仍然从上向下流过负载RL。

综上，通过4只二极管分组的交替导通，在整个周期内保证负载RL上都有同向电流流过，负载电压的方向不变，因此电路进行全波整流。

桥式电路的特点就是全波整流电路，具有工作效率高、纹波小、二极管反向工作电压低等优点，而且对电源变压器的要求不高，因此这种电路在半导体整流电路中得到了非常广泛的应用。

滤波电路

整流电路输入的是正弦交流电压， 输出的是脉冲直流电压，其中含有大量的交流成分，即纹波。所以脉冲直流还需要通过滤波电路来滤出其中的交流成分。滤波电路主要由电容元件和电感元件组成，分为电容滤波电路、电感滤波电路和复合滤波电路。

这里举例说一下桥式整流电容滤波电路：

桥式整流电容滤波电路工作原理与半波整流电容滤波电路相似，不同的地方在于一个是全波整流，一个是半波整流。显然对于全波，电容的放电时间更短，输出波形更加平缓，滤波效果更好。电容滤波对于电路的影响在于加上电容滤波电路后，输出波形变化平缓了，输出电压随之升高，当负载RL无穷大时，电容没有放电通路，其上电压不会下降。随着RL减小，放电时间也随之下降。对于全波整流电容滤波电路，其输出特性就输出电压V0随输出电流的变化规律变化。

总之，电容滤波电路结构简单，负载获得的直流电压较高，纹波小，但其输出特性较差，输出直流电压的大小受负载变化的影响较大，故适合在负载电压均较高，负载变动不大的场合应用。

基本电路：一般直流稳压电源都使用220伏市电作为电源，经过变压、整流、滤波后输送给稳压电路进行稳压，最终成为稳定的直流电源。这个过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。

1、变压电路

通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。通俗的说，电源变压器是一种电→磁→电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。变压器的电路图符号见图2-3-1。

2、整流电路

经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。

(1)半波整流电路

半波整流电路见图2-3-2。其中B1是电源变压器，D1是整流二极管，R1是负载。B1次级是一个方向和大小随时间变化的正弦波电压，波形如图 2-3-3(a)所示。0～π期间是这个电压的正半周，这时B1次级上端为正下端为负，二极管D1正向导通，电源电压加到负载R1上，负载R1中有电流通过;π～2π期间是这个电压的负半周，这时B1次级上端为负下端为正，二极管D1反向截止，没有电压加到负载R1上，负载R1中没有电流通过。在 2π～3π、3π～4π等后续周期中重复上述过程，这样电源负半周的波形被“削”掉，得到一个单一方向的电压，波形如图2-3-3(b)所示。由于这样得到的电压波形大小还是随时间变化，我们称其为脉动直流。

设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：

整流二极管D1承受的反向峰值电压为：

由于半波整流电路只利用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。

(2)全波整流电路

由于半波整流电路的效率较低，于是人们很自然的想到将电源的负半周也利用起来，这样就有了全波整流电路。全波整流电路图见图2-3-6。相对半波整流电路，全波整流电路多用了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也增加了一个中心抽头。这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。在0～π期间B1次级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压上端为正下端为负，其波形如图2-3-7(b)所示，其电流流向如图2-3-8所示;在π～2π期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压还是上端为正下端为负，其波形如图2-3-7(c)所示，其电流流向如图2-3-9所示。在2π～3π、3π～4π等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周的电压经过D1、D2整流后分别加到R1两端，R1上得到的电压总是上正下负，其波形如图2-3-7(d)所示。

设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：

整流二极管D1和D2承受的反向峰值电压为：

全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。

(3)桥式整流电路

由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，于是出现了一种桥式整流电路。这种整流电路使用普通的变压器，但是比全波整流多用了两个整流二极管。由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。

由图2-3-13可以看出在电源正半周时，B1次级上端为正，下端为负，整流二极管D4和D2导通，电流由变压器B1次级上端经过D4、R1、D2回到变压器B1次级下端;由图2-3-14可以看出在电源负半周时，B1次级下端为正，上端为负，整流二极管D1和D3导通，电流由变压器B1次级下端经过 D1、R1、D3回到变压器B1次级上端。R1两端的电压始终是上正下负，其波形与全波整流时一致。

设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：

整流二极管D1和D2承受的反向峰值电压为：

桥式整流电路每个整流二极管上流过的电流是负载电流的一半，与全波整流相同。通常情况下桥式整流电路都简化成图2-3-17的形式。

(4)倍压整流电路

前面介绍的三种整流电路输出电压都小于输入交流电压的有效值，如果需要输出电压大于输入交流电压有效值时可以采用倍压电路，见图2-3-18。由图 2-3-19可知，在电源的正半周，变压器B1次级上端为正下端为负，D1导通，D2截止，C1通过D1充电，充电后C1两端电压接近B1次级电压峰值，方向为左端正右端负;由图2-3-20可知，在电源的负半周，变压器B1次级上端为负下端为正，D1截止，D2导通，C2通过D1充电，充电后C2两端电压接近C1两端电压与B1次级电压峰值之和，方向为下端正上端负。由于负载R1与C1并联，当R1足够大时，R1两端的电压即为接近2倍B1次级电压。

二倍压整流电路还有另外一种形式的画法，见图2-3-21，其原理与图2-3-18完全一致，只是表现形式不一样。

二倍压电路还可以很容易的扩展为n倍压电路，具体电路见图2-3-22。

3、滤波电路

交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。

(1)电容滤波电路

电容滤波电路图见图2-3-23，电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快;在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在C1还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容C1的反复充放电实现了滤波作用。滤波电容C1两端的电压波形见图2-3-24(b)。

选择滤波电容时需要满足下式的条件：

(2)电感滤波电路

电感滤波电路图见图2-3-26。电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用，电感量越大滤波效果越好。电感滤波电路带负载能力比较好，多用于负载电流很大的场合。

(3)RC滤波电路

使用两个电容和一个电阻组成RC滤波电路，又称π型RC滤波电路。见图2-3-27所示。这种滤波电路由于增加了一个电阻R1，使交流纹波都分担在R1上。R1和C2越大滤波效果越好，但R1过大又会造成压降过大，减小了输出电压。一般R1应远小于R2。

(4)LC滤波电路

与RC滤波电路相对的还有一种LC滤波电路，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点。其电路图见图2-3-28。

(5)有源滤波电路

当对滤波效果要求较高时，可以通过增加滤波电容的容量来提高滤波效果。但是受电容体积限制，又不可能无限制增大滤波电容的容量，这时可以使用有源滤波电路。其电路形式见图2-3-29，其中电阻R1是三极管T1的基极偏流电阻，电容C1是三极管T1的基极滤波电容，电阻R2是负载。这个电路实际上是通过三极管T1的放大作用，将C1的容量放大β倍，即相当于接入一个(β+1)C1的电容进行滤波。

图2-3-29中，C1可选择几十微法到几百微法;R1可选择几百欧到几千欧，具体取值可根据T1的β值确定，β值高，R可取值稍大，只要保证T1的集电极-发射极电压(UCE)大于1.5V即可。T1选择时要注意耗散功率PCM必须大于UCEI，如果工作时发热较大则需要增加散热片。

有源滤波电路属于二次滤波电路，前级应有电容滤波等滤波电路，否则无法正常工作。

图1是最经典的电路，优点是可以在电阻R5上并联滤波电容。

电阻匹配关系为R1=R2，R4=R5=2R3;可以通过更改R5来调节增益。

图2优点是匹配电阻少，只要求R1=R2。

图3的优点是输入高阻抗，匹配电阻要求R1=R2，R4=2R3。

图4的匹配电阻全部相等，还可以通过改变电阻R1来改变增益。缺点是在输入信号的负半周，A1的负反馈由两路构成，其中一路是R5，另一路是由运放A2复合构成，也有复合运放的缺点。

图5和图6要求R1=2R2=2R3，增益为1/2。

缺点是：当输入信号正半周时，输出阻抗比较高，可以在输出增加增益为2的同相放大器隔离。

另外一个缺点是正半周和负半周的输入阻抗不相等，要求输入信号的内阻忽略不计。

图7正半周，D2通，增益=1+(R2+R3)/R1;负半周增益=-R3/R2;要求正负半周增益的绝对值相等。

例如增益取2，可以选R1=30K，R2=10K，R3=20K。

图8的电阻匹配关系为R1=R2。

图9要求R1=R2，R4可以用来调节增益，增益等于1+R4/R2;如果R4=0，增益等于1;缺点是正负半波的输入阻抗不相等，要求输入信号的内阻要小，否则输出波形不对称。

图10是利用单电源运放的跟随器的特性设计的，单电源的跟随器，当输入信号大于0时，输出为跟随器;当输入信号小于0的时候，输出为0。

使用时要小心单电源运放在信号很小时的非线性。而且，单电源跟随器在负信号输入时也有非线性。

图7、8、9三种电路，当运放A1输出为正时，A1的负反馈是通过二极管D2和运放A2构成的复合放大器构成的，由于两个运放的复合(乘积)作用，可能环路的增益太高，容易产生振荡。

精密全波电路还有一些没有录入，比如高阻抗型还有一种把A2的同相输入端接到A1的反相输入端的，其实和这个高阻抗型的原理一样，就没有专门收录，其它采用A1的输出只接一个二极管的也没有收录，因为在这个二极管截止时，A1处于开环状态。

结论

虽然这里的精密全波电路达十种，仔细分析，发现优秀的并不多。确切地说只有3种，就是前面的3种。

图1的经典电路虽然匹配电阻多，但是完全可以用6个等值电阻R实现，其中电阻R3可以用两个R并联。可以通过R5调节增益，增益可以大于1，也可以小于1。最具有优势的是可以在R5上并电容滤波。

图2的电路的优势是匹配电阻少，只要一对匹配电阻就可以了。

图3的优势在于高输入阻抗。

其它几种，有的在D2导通的半周内，通过A2的复合实现A1的负反馈，对有些运放会出现自激。有的两个半波的输入阻抗不相等，对信号源要求较高。

两个单运放型虽然可以实现整流的目的，但是输入/输出特性都很差。需要输入/输出都加跟随器或同相放大器隔离。

各个电路都有其设计特色，希望我们能从其电路的巧妙设计中，吸取有用的。例如单电源全波电路的设计，复合反馈电路的设计，都是很有用的设计思想和方法。

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