我們都知道工頻變壓器整流濾波電路中除全波整流橋式整流外還有一種半波整流,如下圖。
那麼,能不能在半波整流電路中如同下圖那樣使用電感濾波?既然橋式整流電感濾波負載兩端直流電壓大緻上是次級繞組交流電壓有效值的0.9倍,我們猜想半波整流應該是變壓器次級繞組交流電壓有效值的0.45倍。
如果我們像圖02那樣聯接好電路,通上市電之後我們會發現:負載ZL兩端隻有很低很低的直流電壓,遠遠小于變壓器次級繞組交流電壓有效值的0.45倍。而且電感L越大,負載兩端的直流電壓越低。
這是怎麼回事?
我們來看看圖02中交流正半周期和負半周期的電壓和電流。
圖03是圖02電路交流正半周期各元件兩端電壓方向。
圖04是圖02電路交流負半周期各元件兩端電壓方向。
但僅知道各元件兩端電壓方向顯然是不夠的,我們還必須知道電壓和電流的變化。
圖05是變壓器繞組A1兩端電壓波形(黑色)和電感中電流波形(紅色)。為叙述方便,我們假定開關恰好在電壓過零時合上,此時電感中電流為零。
因為是交流的正半周,D1導通,電感中電流逐漸增加。電感中電流的增加量與電感兩端電壓成正比。電感兩端電壓和負載兩端電壓以及變壓器繞組兩端電壓如圖03。在這階段中,電感儲存的能量在增加。
在交流正半周期接近結束時,某一瞬間電感中電流在負載兩端壓降等于電源電壓,電感兩端電壓為零,電感中電流不再增加。此時刻記為t1,如圖05。
時刻t1之後很短時間繞組A1兩端電壓即反向,進入交流的負半周。在交流的負半周開始時,雖然繞組兩端交流電壓為負,但電感中電流減小 ,負載兩端電壓和變壓器繞組兩端電壓以及電感兩端電壓如圖04所示。在負半周大部分時間内電感中仍有電流,方向和正半周相同,所以二極管仍正向導通。在這階段中,電感儲存能量在減少。
從時刻t1之後,電感中電流不斷減少,一直減到為零,記此時刻為t2。顯然,t2在負半周結束之前(這是由電感承受的伏秒積決定的)。電感中電流為零,二極管自然關斷。
第二個周期開始後,因為第二周期開始時電感中電流為零,所以變壓器次級繞組A1、二極管D1以及電感L的動作和第一個周期完全相同。
如果開關閉合并不是A1的正半周開始,而是閉合于交流負半周,那麼第一個負半周二極管不會導通,電感中沒有電流。當時間進入正半周時,整個電路動作與圖05所示完全相同。如果開關閉合于交流正半周的後半部分,那麼第一個正半周中電感中電流将比開關閉合于正半周開始時更小一些,随後的負半周中電感中電流結束得也更早一些。從第二個正半周開始,仍然和圖05所示情況一樣,以後各周期也仍然相同。
顯然,電感中電流平均值很小,那麼負載兩端電壓平均值也很小,遠小于無濾波的0.45U(例如,華成英童詩白《模拟電子技術基礎》第四版515頁,公式10.2.1。U為變壓器次級繞組A1電壓有效值),一般隻有變壓器次級電壓的百分之幾。更遠小于半波整流電容濾波的輸出電壓。
我們可以看出,半波整流電感濾波輸出非常小,原因在于交流的負半周電壓仍然作用于電感,使電感儲存能量減少。那麼我們隻要使負半周交流電壓不作用于電感,電感中儲存能量就不會減少,輸出電壓就會達到變壓器次級平均值。
為實現交流負半周變壓器次級電壓不作用到電感上,隻要如圖06所示,增加一支二極管D2即可。
加入二極管D2後,交流的正半周因D2承受反向電壓關斷,和未加入D2幾乎一樣。但圖05時刻t1後尤其是到了負半周,因為D2的存在,D1承受反向電壓而關斷(這一點與沒有D2完全不同),電感中電流經由負載和D2完成回路(因此D2往往被稱為續流二極管)。因為負半周電感L不承受與正半周反向的電壓,電感儲存能量僅用于維持負載中的電流,所以電感中電流下降不多,能量減少也并不多。
加入二極管D2,開關閉合後電感中電流如圖07中紅色曲線所示,開始時每個正半周期均增加,但負半周減少得比較少。随着電感中電流增加,負載兩端電壓也增加,每個正半周内電流增加得越來越少,直到負載兩端電壓穩定。
忽略D1和D2以及A1和L銅線電阻上壓降,加入D2後整流輸出電壓平均值為變壓器次級電壓有效值的0.45倍,即0.45U。
這種半波整流電感濾波電路在工頻整流中使用極少見,但在單端正激開關電源中則很常見,如圖08所示。
當然,為使輸出電壓紋波較小,通常與負載并聯一支比較大的電容(圖中沒有畫出)。防止變壓器勵磁電感釋放磁能導緻功率MOS管漏極電壓過高被擊穿的電路也未畫出。
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