桥式整流、电容滤波电路设计

整流、滤波电路设计
摘要
在现代工农业生产和日常生活中，广泛地使用着交流电。

主要原因是与直流电相比，交流电在产生、输送和使用方面具有明显的优点和重大的经济意义。

例如在远距离输电时，采用较高的电压可以减少线路上的损失。

然而大部分的用电设备使用的是直流电，因此如何更加有效的将交流电转换成直流电成为不容忽视的问题，电压的稳定与否，与整流、滤波有着很大的关系，因此要制作一种数控电源必然少不了对整流、滤波电路的设计，本次目的是掌握桥式整流，电容滤波的设计方法。

了解整流滤波电路的基本工作原理。

关键词：桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路
引言
电子系统的正常运行离不开稳定的电源，除了在某些特定场合下采用太阳能电池或化学电池作电源外，多数电路的直流电是由电网的交流电转换来的，能长期、连续、可靠、稳定地工作，给人们生产生活带来了极大的方便。

电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。

传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源级数比较成熟。

并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。

但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。

从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。

而开关电源的稳定关键就在于整流、滤波电路的设计。

1 桥式整流电路工作原理
由图1可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。

利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。

因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。

图1整流电路
电压应满足下式：
U 1≥U 0max U 1-U 0min ＋U RIP +ΔU 1式中，U 0ma x-稳压电源输出最大值；(U 1-U 0)min -集成稳压器输入输出最小电压差；U ＲＩＰ-滤波器输出电压的纹波电压值（一 般 取U 0，(U 1－U 0)min 之和的10%） ；ΔU 1-电网波动引起的输入电压的变化（一般取U 0，(U 1－U 0)min ，U RIP 之和的10%）．
对于集成三端稳压器，当（U 1－U 0）min =2~10V 时，具有较好的稳压输出特性．故滤波器输出电压值U 1≥15+3+1.8+1.98≥22V ） ，取U 1=22V ．根据U Ｉ可确定变压器次级电压U 2．U 2＝U 1／（1.1~1.2）=22／1.1≈20V
在桥式整流电路中，变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为：I 2＝（1.5-2）I 1≈1.5×0.5=0.75A ．取变压器的效率η＝0.8，则变压器的容量为P ＝U 2×I 2/η＝20Ｘ0.75/0.8＝18.75（W ）．选择容量为20W 的变压器．因为流过桥式电 路中每只二极管的电流为I D ＝0.5I 1max ＝0.5Ｉ0max ＝0.5×0.5＝ 0.25(A)．每只整流 二极管承受的最大反向电压为U RM ＝1.414U 2max ＝1.414×20×（1+10%）≈31(V),选 用二极管IN4001，其 参 数 为：I D ＝1A ，U RM ＝100V ．可见能满足要求。

2 电容滤波电路
整流电路输出的直流电压脉动较大，一般不能满足实际需要，必须用滤波电路滤除交流分量，得到平滑的直流电压。

在小功率直流电源中，常用的滤波电路有电容滤波、Г型滤波和п滤波。

在整流电路输出端与负载之间并联一只大容量的电容，如图2a ，即可构成最简单的电容滤波器。

其工作原理是利用电容两端的电压在电路状态改变时不能跃变的特性。

b a VD1~VD4 Tr
图2 电容滤波原理及波形图a.原理图,b. 波形图
加了一只电容后，二极管导通时，一方面给负载R L供电，一方面对电容C 充电。

在忽略二极管正向压降后，充电时，充电时间常数τ充电=2R D C，其中R D为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压u C与上升的正弦电压u2一致，u o=u C≈u2，当u C充到u2的最大值时，u2开始下降，且下降速率逐渐加快。

当|u2|＜u C时，四个二极管均截止，电容C经负载R L放电，放电时间常数为τ放电=R L C，故放电较慢，直到负半周。

在负半周，当|u2|＞u C时，另外二个二极管(VD2、VD4)导通，再次给电容C充电，当u C充到u2的最大值时，u2开始下降，且下降速率逐渐加快。

当|u2|＜u C时，四个二极管再次截止，电容C经负载R L放电，重复上述过程。

有电容滤波后，负载两端输出电压波形如图2b所示。

电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。

但在接通电源的瞬间，将产生很大的充电电流，这种电流称为“浪涌电流”，同时，因负载电流太大，电容器放电的速度加快，会使负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路只使用于负载电流较小的场合。

由上述讨论可知，当R L比较小时，即使滤波电容容量很大，脉动系数仍比较大。

为进一步减小脉动系数，通常采用如图3所示的л型RC滤波电路。

图3π型RC滤波电路
3 稳压电路
当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。

利用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为单向脉动电压。

本章为便于分析整流电路，把整流二极管当作理想元件，即认为它的正向导通电
阻为零，而反向电阻为无穷大。

但在实际应用中，应考虑到二极管有内阻，整流后所得波形，其输出幅度会减少0.6~1V，当整流电路输入电压大时，这部分压降可以忽略。

但输入电压小时，例如输入为3V，则输出只有2V多，需要考虑二极管正向压降的影响。

在小功率直流电源中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和三相整流电路等。

整流（和滤波）电路中既有交流量，又有直流量。

对这些量经常采用不同的表述方法：输入（交流）——用有效值或最大值；输出（直流）——用平均值；二极管正向电流——用平均值；二极管反向电压——用最大值。

一般滤波电路的设计原则是,取其放电时间常数R L C是其充电时间常数的2~5倍对于桥式整流电路,滤波电容的充电周期等于交流电源周期的一半.
如下图4是一般常用可调稳压电路
图4 可调稳压电路
结论
整流、滤波电路有很多构成方案，如整流电路就分别有：半波整流电路、单相全波整流电路、单相桥式整流电路；滤波电路又分为电容滤波和电感滤波。

在这里我主要选择了桥式整流电路和电容滤波来完成自己的课题。

通过在网上和图书馆所找的资料，使我了解到了制作简易数控电源的一些基本步骤，有些芯片本来不懂的，但是经过查资料使我对有些不是懂的芯片有了一
定的了解，如果有时间，最好能够做出一个实物图就比较了解，但是时间实在太紧，不过经过对资料的整理，为我毕业设计提供了资料和思路，使我对这次的毕业设计充满了信心，相信在老师的带领下，我能很好的完成目标，同时也要感谢老师给我们宝贵经验指导。

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