1.9 直流电的产生

我们在生活中大量使用直流电。如干电池、蓄电池用于收音机、手电筒等，是用于小功率的。但对于大功率的直流电气设备，必须把交流电变成直流电。可采用整流、滤波、稳压的方法得到直流电。

1.9.1 整流电路

整流电路的关键问题是利用二极管的单相导电性，将交流电压变换成单相脉动电压。单相整流电路可分半波整流、全波整流、桥式整流、倍压整流等。由于半波整流电路只在电源的半个周期工作，电源利用率低，输出波形脉动较大，且电路简单，这里不作介绍。本节只介绍常用的几种整流电路。

1. 全波整流电路

如图1-18（a）所示，单相全波整流是由两个单相半波电路组成的，变压器的次级线圈的中心抽头把u2分成两个大小相等、方向相反的u21和u22。

工作原理：在正弦交流电源的正半周，VD1处于正向导通，VD2处于反向截止，电流经VD1、负载电阻RL回到变压器中心抽头O点，构成回路，负载得到半波整流电压和电流。

同理，在电源的负半周，VD2导通，VD1截止。电流经VD2、RL流回到变压器中心抽头O点。负载RL又得到半波电压和电流。

以后重复上述过程。由此可见全波整流电路的两只二极管VD1、VD2是轮流工作的，在负载上得到的电压和电流波形如图1-19（a）所示。

2. 桥式整流电路

桥式整流电路如图1-18（b）所示，单相桥式整流电路由电源变压器T、整流二极管VD1、VD2、VD3、VD4和负载电阻RL组成。与全波整波电路一样，变压器将电网交流电压变换成整流电路所需的交流电压，设。

当电源电压处于u2的正半周时，变压器二次绕组的a端电位高于b端电位，VD1、VD3在正向电压作用下导通，VD2、VD4在反向电压作用下截止，电流从变压器二次绕组的a端出发，经VD1、RL、VD3，由b端返回构成通路。有电流通过负载电阻RL，输出电压uO=u2。

当电源电压处于u2的负半周时，变压器二次绕组的b端电位高于a端电位，VD2、VD4在正向电压作用下导通，VD1、VD3在反向电压作用下截止，电流从变压器二次绕组的b端出发，经VD2、RL、VD4，回到a端。有电流通过负载电阻RL，输出电压uO=u2。

由此可见，在交流电压u2的整个周期内，整流器件在正、负半周内各导通一次，负载RL始终有电流通过，而且保持为同一方向，得到两个半波电压和电流，如图1-19（b）所示。所以，桥式整流电路也是一种全波整流电路。

1.9.2 滤波电路

整流电路可以使交流电转换成脉动直流电，这种脉动直流电中不仅包含直流分量，而且有交流分量。而我们需要的是直流分量，因此必须把脉动直流电中的交流分量去掉。从阻抗观点看，电感线圈的直流电阻很小，而交流阻抗很大；电容器的直流电阻很大，而交流电阻很小。若将电感线圈与电容器组合起来，就能很好地滤去交流分量，留下需要的直流分量。这种组合就是滤波器。常用的滤波器有下面几种形式，如图1-20所示。

1. 电容滤波电路

电容滤波器电路如图1-21（a）所示，就是在负载两端并联一只电容组成。

电容滤波器的工作原理：利用了电容两端电压不能突变的特性。当二极管导通时，一方面给负载RL供电，另一方面对电容器C进行充电。充电时间常数T1=2RDC，其中RD为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压uC与上升的正弦电压u2一致，uO=uC≈u2，当uC充电到u2的最大值 时，u2开始下降，且下降速率逐渐加快。当u2＜uC时，四个二极管均截止，电容C经负载电阻RL放电，放电时间常数T2=RLC，故放电较慢，直到负半周。

在负半周，当u2＞uC时，另外两个二极管导通，再次给电容C充电，当uC充电到u2的最大值，u2开始下降，且下降速率逐渐加快，当 u2＜uC时，四个二极管再次截止，电容 C经负载 RL放电。如此重复上述过程。负载两端的输出电压波形如图1-21（b）所示。

由上述讨论可见，输出电压的大小和脉动程度与放电时间常数T2=RLC有关。若RL开路，电容C无放电通路，uO将一直保持最大充电电压2 U2；若RL很小，放电时间常数很小，uC下降很快，使得输出电压的脉动增大。

桥式整流电容滤波后，其输出电压uO=（1.1～1.4）U2范围内，滤波电容选用几十微法以上的电解电容，其耐压值应高于。

2. 电感滤波

如果要求负载电流较大时，输出电压uO仍较平稳，则采用电感滤波。电感滤波电路如图1-22（a）所示。

我们知道，电感线圈上的直流阻抗很小，所以脉动电压中的直流分量很容易通过电感线圈，几乎全部到达负载RL。而电感对交流的阻抗很大，所以脉动电压中的交流分量很难通过电感线圈。由于电感L和负载RL串联，对交流分量可看成是一个分压器，如果选择电感的感抗XL=ωL比负载RL大很多（如交流电源是50Hz，全波和桥式整流后的脉动频率是100Hz，半波整流后是50Hz），那么，交流分量将大部分降在电感上，在负载RL上的交流分量就很小了。这样就将原来脉动较大的直流输出变为较平稳的直流输出，如图1-22（b）实线所示。

如果RL一定，电感越大，输出电压波动越小，滤波效果就越好。所以电感滤波一般适用于负载变动较大、负载平均电流较大的场合。

3. 复式滤波器

通过电容滤波或电感滤波的分析，直流输出或多或少仍有波动。在要求较高的场合，为了得到更加平滑的直流电可以采用复式滤波器。

（1）LC滤波器

我们知道，电容滤波器适用于负载较大的情况，而电感滤波器适用于负载较小的情况，如果把这两种电路组合起来，就构成了如图1-23（a）所示的滤波器，它对于一般负载都适用。

在LC滤波器中，脉动电压将经过双重滤波作用，使交流分量大部分被电感L阻止，即使有小部分通过了L，还要经过电容C的滤波作用使交流分量旁路，因此在负载上的交流分量很小，从而达到滤除交流分量的目的。

（2）LC-π型滤波电路

如图1-23（b）所示，LC-π型滤波器由C型滤波器和LC滤波器组合而成。其滤波过程：交流电整流后先经C型滤波器滤波，然后再经LC滤波器滤波，所以π型滤波器性能比LC和C型滤波器都要优越，在RL上获得的电压将更平滑。

由于LC-π型滤波器前面接有电容，所以这种滤波器的外特性和电容滤波器相似。

（3）RC滤波器

在有些场合，如果负载电流不大，为了减轻重量、降低成本、缩小体积，可将上述两个复式滤波器上的L用一只电阻来代替，组成RC-Γ型滤波器和RC-π型滤波器，如图1-24所示。

在RC滤波器中，R大滤波效果好，但电阻上压降损失也大。一般在小电流的场合，电阻通常取几十到几百欧，电容取几百微法（200μF、500μF）。

在整流后需加滤波电容，滤波电容的容量需根据用电负荷的大小来选取，通常选用几十微法至几百微法。有些要求较高的直流电源，还需增设集成稳压器进行稳压，以取得纹波较小的高质量的稳压电源。滤波电容容量与负载电流的关系如表1-2所示，可根据输出电流选择滤波电容的大小。

其次要确定电容的耐压值，耐压值选小了，会因过压而击穿，选大了会增加体积和成本，可按下式确定电容的耐压值：