1.4 容性负载整流电路_线性电源设计实例：原理剖析、制作调试、性能提升-QQ阅读男频科幻网

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1.4 容性负载整流电路

由于单相纯阻性负载电路的输出纹波较大，而多相电路又比较复杂，因此纯阻性负载电路极少使用。为了平滑输出纹波，常用电抗性负载整流电路，但是电容接入将会影响整流特性，因此其分析方法也与纯阻性负载整流电路有所不同。

1.4.1 容性负载半波整流电路

容性负载半波整流电路仿真原理图如图1.13所示，其负载为电阻R_L与电容C并联，该电路工作与振幅检波器在输入电压为等幅时的工作特性相同。图中R_S为整流器内阻，等于变压器内阻R_T与整流管正向电阻R_D之和，即R_S =R_T+R_D。

图1.13 容性负载半波整流电路仿真原理图

当变压二次绕组感应电势（或空载电压） e₂处于正半周的某个瞬间t₀时接通电路，整流管D1导通。此时变压器二次电流将等于通过整流管的电流i_D1，该电流可分为两部分：一部分i_L流经负载电阻R_L；另一部分i_C对电容器C充电。如果电容上起始电压U_C0 =0，此时起始充电电流非常大，其最大值可达^（出现在ωt₀ =π/2时刻， E₂为二次绕组感应电势e₂的有效值），该电流称为整流器浪涌电流。充电电流使电容器电压增大，充电快慢取决于充电时间常数τ₁，其值为

R _S和C越小充电越快。由图1.14所示整流电路波形可知，当电容C上的电压u_C和e₂的瞬时值相等时整流管截止， i_D1 =0。于是电容C上的电压通过负载电阻R_L放电，放电快慢取决于放电时间常数τ₂，其值为

图1.14 容性负载半波整流电路波形

由于R_L＞＞R_S，所以τ₂ ＞＞τ₁，因而放电比充电慢得多。当e₂在第二个周期开始其瞬时值较小时，虽然e₂ ＞0，但整流管仍然不会导通，因为此时电容上的电压u_C并未为零，只有在e₂≥u_C的瞬间，整流管才会导电。此时导通电流中的一部分再次对电容充电，使电容上的电压u_C进一步升高，直至e₂的瞬时值再次小于u_C，整流管截止使电容重复其放电过程。经过若干周期后，充放电过程达到动态平衡，输出电压相对平稳。

将容性电路与纯阻性负载电路对比可知，容性电路输出电压U_o比纯阻性负载电路输出电压高、纹波小。电压U_o高主要是由于电容C的储能作用，纹波小主要是由于电容C的滤波作用。特别需要指出，容性负载电路整流管的电流导通角度不再为180 °，由图1.14中二极管电流波形可知，其导通角大小与ω、 C、 R_L、 R_S等系数均有关系。

为了求得容性负载整流电路输出电压U_o与变压器二次电压有效值E₂的关系，必须求解十分复杂的解析公式，计算也非常复杂。应用最广泛的方法为利用图1.15～图1.19的一组曲线进行设计。该组曲线根据实验数据绘制而成，精度非常高。

图1.15为半波整流电路输出直流电压U_o与变压器二次侧峰值电压的比值同电路参数ωCR_L的关系，并以R_S/R_L为参变量。由图1.15可知， ωCR_L越大输出电压U_o越高。因为ωCR_L越大整流管截止期间电容放电越慢，电压下降越少，因而U_o越高。而且R_S/R_L越小，输出电压U_o也越高。因为较小的R_S使得整流管导通期间电容充电加快，同时内阻压降减小，因而 U_o越高。例如，当 R_S =0、ωCR_L很大时输出电压U_o可达e₂的峰值，即U_o=E₂。当电容C=0、 R_S =0时由图1.15可知=0.32，与纯阻性负载时一致。

图1.15 容性负载单相半波整流电路输出电压U_o与电路参数的关系

因此为了在给定E₂情况下得到尽可能高的输出电压U_o，应尽量增大滤波电容C并且设法减小内阻R_S。利用图1.15所示的曲线，并且结合实际负载电阻R_L值，由已知的C和R_S值求得U_o与之比。例如，当ωCR_L=10、 R_S/R_L=0.05 时U_o≈0.7，即E₂≈U_o。

整流管截止时，其两端最大反向电压为电容器两端电压和变压器二次电压之和，即U_Rmax=。又因为U_o的最大值为^，所以

容性负载整流电路通过整流管的电流有效值I_D、峰值电流I_m与通过每个整流管的平均电流I_D0的比值和电路参数ωCR_L的关系如图1.18所示。半波整流时n=1，全波和桥式整流时n=2，倍压整流时n=0.5。对于半波整流电路，通过整流管的平均电流I_D0 =I_o。如果C=0，则此时通过整流管的电流有效值I_D=1.57I_o，与纯阻性负载时一致。随着ωCR_L增大和R_S/R_L减小，I_D/I_D0逐渐增大，而且通过整流管的峰值电流I_m与平均电流I_D0之比也有类似的关系。主要由于R_S的减小或者ωCR_L的增大致使整流管的电流导通角Δθ减小。为了维持指定平均电流I_o，电流脉冲振幅I_m必然增大，电流有效值I_D也将增大。

图1.16 容性负载单相全波整流电路输出电压U_o与电路参数的关系

通过整流管的峰值电流I_m和电流有效值I_D的增加将使整流管工作条件恶化。由于整流管的功耗根据有效值计算，如果通过整流管的整流电流（平均值）未超过允许值，而有效值却超过允许值，则整流管仍可能过热而烧毁。但是数据手册上并未给出整流管允许电流有效值，仅给出最大整流电流 I_FM，所以通常利用式（1.11）校验整流管中通过的电流有效值：

利用图1.19中所示的曲线，可由已知的ωCR_L和R_S/R_L值求得I_D和I_m的比值。例如半波整流电路n=1、 ωCR_L=10、 R_S/R_L=0.05 时，由图1.19 可得I_D=2.2 I_D0 =2.2 I_o、 I_m=6.2。

图1.17 容性负载二倍压整流电路输出电压U_o与电路参数的关系

纹波因数γ和ωCR_L以及R_S/R_L的关系曲线如图1.19所示。由图1.19 可见，ωCR_L越大γ越小，而受R_S/R_L的影响比较小。纯阻性负载的纹波因数（半波纹波因数γ=121%）由图1.19中C=0处可求得。根据给定ω、 C、 R_L、 R_S由图1.19可求得纹波因数γ。例如当ωCR_L=10、 R_S/R_L=0.05时， γ=15%。

为了说明输出电压U_o的调整性能，利用整流电路的外特性曲线对其进行描述，图1.20 为容性负载半波整流电路的外特性曲线。由图1.20 可知，负载电流I_o越大输出电压U_o越低，与图1.15所示关系一致。例如，当I_o=0 时相当于负载开路（R_L=∞），此时输出电压 U_o达到峰值^。当 I_o增大时相当于R_L减小，输出电压U_o下降。当I_o很大时相当于 R_L很小，并联的滤波电容作用很小，如果R_S =0，由图1.15 可得U_o=0.32≈0.45 E₂，与纯阻性负载整流状态一致。

图1.18 容性负载整流电路通过整流管的电流有效值I_D、峰值电流I_m（相对于每只整流管的平均电流I_D0）与电路参数ωCR_L的关系曲线

图1.19 容性负载单相整流电路纹波因数γ与电路参数的关系曲线

图1.20 容性负载半波整流电路外特性曲线

1.4.2 容性负载全波整流电路

容性负载全波整流电路仿真原理图如图1.21所示，图1.22分别为变压器二次电压、输出电压和整流管电流波形。由于整流管D1和D2轮流导通，因此对电容器充电和放电过程在半个周期内完成。由于放电时间缩短，所以全波输出电压U_o比半波输出电压高、纹波小。

图1.21 容性负载全波整流电路仿真原理图

图1.22 容性负载全波整流电路波形

对比图1.16与图1.15可得，给定R_S和R_L时全波整流电路输出电压比半波整流电路输出电压高。而且当ωCR_L→0 且R_S =0 时， U_o=0.64×≈0.92 E₂，相当于纯阻性负载全波整流。当给定ωCR_L和R_S/R_L时，即可根据图1.16所示的曲线求得之值。例如，当ωCR_L=10且R_S/R_L=0.05时，求得U_o=1.14 E₂。

通过每只整流管的电流有效值I_D和峰值电流I_m仍可由图1.18所示的曲线进行查询，此时 n=2。由于输出电流 I_o为每只整流管的平均电流 I_D0之和，所以I_D0 =0.5 I_o。例如，当 ωCR_L=10 且 R_S/R_L=0.05 时， nωCR_L=20， R_S/nR_L=0.025。由曲线可得I_D/I_D0 =2.5，因此通过变压器二次绕组的电流有效值I₂ =I_D=1.25 I_o， I_m/I_D0 =7.4，所以峰值电流I_m=3.7 I_o。由于变压器二次绕组具有中心抽头，因此变压器二次功率为

纹波因数γ由图1.19曲线进行求取，例如， ωCR_L=0.05时γ=6%。

1.4.3 容性负载桥式整流电路

容性负载桥式整流电路仿真原理图如图1.23所示，在正半周期整流管D1和D3导通，在负半周期整流管D2和D4导通。

图1.23 容性负载桥式整流电路仿真原理图

容性负载桥式整流电路波形如图1.24所示，由图可得整流输出电压、电流波形与全波整流电路相同。

图1.24 容性负载桥式整流电路波形

对于桥式整流电路，变压器二次绕组电流有效值 I₂由图1.24中的曲线I（U1：4）可得，在一个周期中有正、负极性的脉冲电流。如果通过任一只整流管的电流有效值为I_D，则

例如，当ωCR_L=10且R_S/R_L=0.05时，求得I_D=1.25 I_o（与全波整流电路相同），但变压器二次电流I₂ =1.8 I_o。

由于整流反峰电压由两只串联的整流管分担，所以桥式整流每只整流管截止时所受反峰电压为全波整流时反峰电压的一半，即/2。

综上所述，桥式整流几乎保持了全波整流的所有优点，如输出电压高、负载特性好、纹波小等，变压器二次侧仅有一个绕组，既减小了变压器二次侧的伏安容量，又简化了结构，因此在工程应用中最为广泛。

1.4.4 容性负载2倍压整流电路

在要求电压较高而电流不大的场合，如果采用普通整流电路就要求变压器二次绕组有较高的电压，由于变压器绕组匝数增多及耐压绝缘等工艺问题，通常优先采用倍压整流电路，使得变压器在低二次电压 E₂情况下获得数倍于的直流电压。

通用2倍压整流电路仿真原理图及其输入和输出电压波形分别如图1.25 和图1.26所示，工作原理如下：当电压e₂在正半周时，电流通过整流管D1对电容器C1充电，如果C1足够大且忽略整流器内阻R_S，则C1上的电压U₁可达到变压器二次峰值电压^；当电压e₂在负半周时，D1截止，电流通过D2对C2充电，其电压U₂也可充至峰值^。最终负载两端就可得2倍于峰值电压之值： U_o=U₁ +U₂ =，通过每只整流管的平均电流I_D0等于负载电流I_o。

图1.25 2倍压整流电路仿真原理图

图1.26 2倍压整流电路波形

实际上由于电容在整流管截止期间放电及整流器内阻（ R_S =R_T+R_D）的影响，整流器输出电压U_o达不到上述峰值电压的2倍，通常利用图1.17中曲线进行计算，此时假定C₁ =C₂ =C。例如，当ωCR_L=10且R_S/R_L=0.05时，可得=1.18，即E₂ =0.6 U_o。

通过每只整流管的有效值电流I_D及峰值电流I_m由图1.18所示曲线进行计算，此时n=0.5。例如，当ωCR_L=10且R_S/R_L=0.05时I_D=2 I_o、 I_m=5 I_o。由于通过变压器二次绕组电流由正负两个周期脉冲合成，所以

2倍压整流电路的纹波因数γ由图1.19 进行计算，其大小介于半波整流和全波整流之间，例如，当ωCR_L=10且R_S/R_L=0.05时， γ=10%。

利用表1.3对上述4种容性负载基本整流电路特性进行对比，表1.3中数据按照ωCR_L=10且R_S/R_L=0.05条件下由图1.15～图1.19所示曲线进行计算。实际计算中对于不同ωCR_L和R_S/R_L应重新计算，切忌使用表中数据。

表1.3 容性负载整流电路性能对比

由表1.3可知，当要求输出电压U_o相同时，全波和桥式所要求的变压器二次电压有效值E₂比较小；而桥式整流电路变压器二次视在功率最小，即变压器利用系数F₂ =P_o/P₂最大；而半波整流电路比较简单，但其性能比较差，仅用于要求不高的场合；当要求输出电压U_o高于峰值电压时可采用倍压整流。

1.4.5 容性负载多倍压整流电路

3倍压整流电路：3倍压整流电路仿真原理图如图1.27所示。第一周期正半波时输入交流电源VIN通过二极管D3为电容C3充电，C3 最高电压为输入电压峰值；第一周期负半波时输入交流电源VIN与电容C3串联通过整流管D1为电容C1充电，C1最高电压为输入电压峰值的2倍；第二周期正半波时输入交流电源VIN与电容C1串联通过整流管D2为电容C2充电，C2 最高电压为输入电压峰值的3倍，此时VIN同时为C3充电，依次循环进行，实现3倍压整流。

图1.27 3倍压整流电路仿真原理图

图1.28 3倍压整流电路电压波形

3倍压整流电路电压波形如图1.28所示，输入交流电压源同样为频率1kHz、幅值5V的正弦波；输出电压由0V增加至最大值约13.35V，压差（5×3-13.35）V=1.65V由3只约0.5V整流管压降产生。

每只整流管的反向耐压均为2倍输入电压峰值，所以实际选型时整流管反相耐压值应高于输入电压峰值的2倍；电容C1、C2 和C3的工作电压分别为输入电压峰值的1倍、2倍和3倍，实际选型时务必满足耐压要求。焊接印制电路板时务必保证电解电容或者钽电容的极性，避免将其损坏。

4倍压整流电路：将两组级联2倍压整流电路串联构成4倍压整流电路，其仿真原理图如图1.29所示；正半波时通过整流管D2和D4对输入交流电压源进行整流，实现电容C2和C4充电，此时由于C4两端电压近似等于输入电压峰值，由于C3两端电压同样近似等于输入电压峰值，所以C2两端电压为输入电压峰值的2倍；负半波时通过整流管D1和D3对输入交流电压源进行整流，实现电容C1和C3充电，此时由于C3、C4两端电压近似等于输入电压峰值，所以C1两端电压为输入电压峰值的2倍；输出电压为C1和C2电压之和，如果忽略整流管压降，输出电压为输入电压峰值的4倍。

图1.29 4倍压整流电路仿真原理图

4倍压整流电路电压波形图1.30所示，输入交流电压源同样为频率1kHz、幅值5V的正弦波；输出电压由0V增加至最大值约17.2V，压差5×4-17.2=2.8V，由四只整流管压降产生，4倍压整流电路纹波峰峰值约为200mV，同样为2倍压整流电路的2倍。

图1.30 4倍压整流电路电压波形

由于输入交流源与输出整流电压不共地，所以实际测试时示波器和数表地线连接需要谨慎。通常示波器将每个探针的地线在其内部连接到一起，使得实际测试波形不能在同一示波器屏幕显示。如果输入信号地和输出地连接到一起将导致印制电路板或者示波器出现故障或者损坏。可以利用隔离探头或者两台示波器对4倍压整流电路进行测试，切忌将示波器电源地线去除。

与2倍压整流电路相同，所选整流管反向耐压应高于输入电压峰值的2倍；焊接印制电路板时务必保证电解电容或者钽电容的极性，避免将其损坏。

8倍压整流电路：8倍压整流电路仿真原理图如图1.31所示，通过4级相同的整流电路串联而成，每级整流电路由两只电容和两只整流管构成；负半波时输入交流源通过D1为C1充电，使其电压与输入电压峰值相同；正半波时输入电压与C1串联，通过D2为C2充电，使得C2电压约为输入电压峰值2倍；每级电路工作原理相同，从而实现2倍、4倍、6倍和8倍电压输出，同样可以增加串联级数以提高输出电压值。

8倍压整流电路电压波形和测试数值如图1.32所示，输入交流电压源同样为频率1kHz、幅值5V的正弦波；每级倍压电路的输出电压分别为8.6V、17.2V、25.7V和34.2V（四舍五入），分别对应2倍、4倍、6倍和8倍整流，电压误差主要由整流管压降产生。

图1.31 8倍压整流电路仿真原理图

图1.32 8倍压整流电路电压波形和测试数据

1.4.6 容性负载整流电路设计总结

由图1.15～图1.19所示的曲线可知，根据电路参数ω、 C、 R_L、 R_S确定U_o、I_D、 I_m及γ等数据，依此设计各种容性整流电路（除多倍压整流电路以外）。该设计方法虽然比用简单经验公式估算稍为复杂，但准确性较高，很少因变压器参数估计不准确而造成报废或返工，所以该方法适合工程设计使用。

必须注意，图1.13中变压器二次绕组电压E₂指空载电压，而计算变压器匝数时需要“有载时的电压有效值U₂”。两电压之差等于二次绕组电流有效值I₂在变压器内阻R_T上的压降，即U₂ =E₂-I₂R_T。该电压差的百分数称作变压器二次绕组的电压调整率Δu%，记为

设计变压器时切不可将E₂和U₂混淆，否则制成的变压器二次电压及整流电压U_o均会大于设计值。整流器内阻R_S包括整流管内阻R_D和变压器内阻R_T。

整流管内阻R_D根据整流管的平均电阻近似计算如下：

式中， U_D0为整流管在正向电流为I_D0时的管压降，硅管的U_D0 =0.6～1V，锗管的U_D0 =0.2～0.5V（工作电流大时取上限）。管压降U_D0之值也可根据手册所给的整流管特性曲线决定； I_D0为通过每只整流管的平均电流，单相半波和倍压整流时I_D0 =I_o，单相全波和桥式整流时I_D0 =0.5 I_o。