倍壓整流電路的工作原理及電路分析史上最全

2021-03-04 00:01:41 字數 4917 閱讀 1515

在某些電子裝置中,需要高壓(幾千伏甚至幾萬伏)、小電流的電源電路。一般都不採用前面討論過的幾種整流方式,因為那種整流電路的整流變壓器的次級電壓必須公升的很高,圈數勢必很多,繞制困難。這裡介紹的倍壓整流電路,在較小電流的條件下,能提供高於變壓器次級輸入的交流電壓幅值數倍的直流電壓,可以避免使用變壓比很高的公升壓變壓器,整流元件的耐壓相對也可較低,所以這類整流電路特別適用於需要高電壓、小電流的場合。

倍壓整流是利用電容的充放電效應工作的整流方式,它的基本電路是二倍壓整流電路。多倍壓整流電路是二倍壓電路的推廣。

1、二倍壓整流電路

(1)橋式二倍壓整流電路

圖1所示電路是橋式倍壓整流電路,圖1的(1)和(2)為同一電路的兩種不同畫法。

在這裡,用兩個電容器取代了全波橋式整流電路中的兩隻二極體。整流管d1、d2在交流電的兩個半周分別進行半波整流。各自對電容c1和c2充電。

由負載rl與c1、c2迴路看,兩個電容是接成串聯的。負載rl上的直流電能是由c1、c2共同供給的。

當e2正半周時,d1導通,如果負載電阻rl很大,即流過rl的電流很小的話,整流電流id1使c1充電到e2的電壓,並基本保持不變,極向如圖中所示。同樣,當e2負半周時,經d2對c2也充上e2的電壓,極向如圖中所示。跨接在兩個串聯電容兩端的負載rl上的電壓ul=u c1+u c2,接近於e2幅值的兩倍。

所以稱這種電路為二倍壓整流電路。

實際上,在正半周c1被充電到幅值e2後,d1隨即截止,c1將經過rl對c2放電,u c1將有所降低。在負半周,當c2被充電到幅值e2後,d2截止,c2的放電迴路是由c1至rl,u c2也應有所降低。這樣,u c1和u c2的平均值都應略低於e2,也即負載電壓是不到次級繞組電壓幅值的兩倍的。

只有在負載rl很大時,ul≈e2。u c1、u c2及ul的變化規律如圖2所示。

這種整流電路中每個整流元件承受的最大反向電壓是2 e2,電容器c1、c2上承受的電壓為e2,這裡的電容器同時也起到濾波的作用。電容值愈大,輸出電壓中的紋波成分愈小。可以看出,這種電路的交流輸入端和直流輸出端是不能同時接地的。

(2)半波二倍壓整流電路

半波二倍壓整流電路如圖3所示,這種電路的兩個半波整流充電環節前後串聯,交流輸入和直流輸出有一公共端點。

當交流電壓e2在正半周時,d1導通,c1通過d1被充電到e2的峰值e2,極向如圖4中所示。在交流電壓e2為負半周時,d1因受反向電壓而截止,d2則受正向電壓而導通。在d2導通期間,電容c1上的電壓e2m= e2因維持不變,其作用類似於乙個直流電源。

它與交流電源相串聯,所以,c1上的電壓u c1與電源電壓e2相加,經d2向c2充電,充電電壓是e2+ u c1。在c2因充電而獲得電荷時,c1將因本身放電而失去同樣數量的電荷,但在這隨後的正半周充電中就可以得到補充。經過幾個週期以後,從c1轉移到上c2的電荷將減少到零。

於是u c1保持了最大的電壓e2m= e2,在此後的負半週期中,c2上充電的電壓u c2達到最大值,即2e2m。如圖3所示,負載是與c2併聯的,所以負載上的電壓就是2e2m。

當d2截止後,c2繼續通過rl放電,輸出的直流電壓u c2將隨之有所降低,直到下乙個負半周再度充電為止。所以輸出直流電壓是u c2在乙個週期內起伏的平均值,是低於的2e2m。rl愈大,輸出直流電壓愈接近於2e2m。

與橋式二倍壓整流電路相比較,這裡交流電源一週期內只給c2進行一次脈衝式的充電,紋波分量的最低頻率較前一種電路減少一半。在元件參量相同時,因為這裡的c2放電時間較長,紋波電壓的幅值也相應較大。在橋式倍壓電路中,c1和c2承受的直流電壓都是e2m(即e2),而這裡c2承受的直流電壓是2e2m。

在兩種電路中,每一整流管承受的反峰電壓都等於2e2m。

2、三倍壓、多倍壓整流電路

把二倍壓整流電路推廣,可以構成三倍壓整流或多倍壓整流電路。

(1)三倍壓整流電路

圖5電路是一種三倍壓整流電路,它是在圖3半波二倍壓整流電路的基礎上再串接一節半波整流電路構成的。該電路的整流管d1、d2和電容器c1、c2構成了半波二倍壓整流電路,這一部分電路的工作情況與圖3所示電路是完全一樣的。在三倍壓電路中。

整流管d3是在交流電源正半周時導通的。d3導通時,電容器c2與電源串聯,通過d3對c3充電。因此,c3將被充電到3 e2m。

當負載接在c3兩端時,負載上所獲得的直流電壓ul將接近於電源變壓器次級交流電壓幅值的三倍。

圖6電路是另一種三倍壓整流電路。它同樣是以圖3電路為基礎的。這裡與圖5電路所不同的地方,就在於第三個整流充電環節中的電容器c3不是像圖5那樣直接接地,而是通過電容器c1接地的。

因此,在d3導通時是由電容器c2、交流電源和電容器c3三者串聯通過d3對c3充電的。c3上充電的最大電壓值為上述三者最大電壓的代數和。當交流電源為正的e2m時,恰好與c1上的直流電壓大小相等、方向相反,對於電容器c3來講。

這兩者是相互抵消的,因此,c3上最大可能的充電電壓與c2一樣,都是2 e2m。如果負載跨接在電容器c1和c3兩端,那麼負載上的直流電壓應為:ul≈u c1+ u c2= e2m +2 e2m =3 e2m。

在圖5和圖6兩種三倍壓電路中,每個二極體兩端間的反向電壓都是變壓器峰值電壓的二倍,電容器承受的最大直流電壓:c1都是e2m,c2都是2 e2m,只是c3所承受的電壓不一樣。在圖5中c3的耐壓應為3 e2m,而在圖6中則為2 e2m。

這兩種電路的交流輸入和直流輸出端之間都有公共端點。

(2)多倍壓整流電壓

二倍壓整流電路採用了二個整流管和二個電容器,三倍壓整流電路採用三個整流管和三個電容器。欲獲得直流高壓,可採用由n個整流元件和n個電容器組成的n倍壓整流電路。圖7為七倍壓整流電路,它是圖5電路的推廣。

c7被充電至七倍電壓。此電路中,電容器耐壓須隨級數的增加而增高,對n倍壓的電路。則須耐n e2m的電壓。

圖8是另一種形式的七倍壓整流電路,它是圖6電路的推廣。在此電路中,所有的整流元件都是串聯連線的。電容器按每隔一接點的方式接入。

分布在整流管兩側,呈疊層形。由於每一測電容是疊層串聯,其結果也可以產生n倍電壓。圖8所要求整流器的耐壓與圖7要求相同,都是2 e2m,而電容器的耐壓,除c1為e2m外,其餘均為2 e2m即可。

從這個意義上講,它是圖7電路的一種改進。

3、應用舉例

(1)靜電噴漆高頻高壓發射器

圖9是高頻高壓發生器的方框圖。它是用於金屬工件表面靜電噴漆的一種裝置,還可以用於靜電吸塵、靜電植絨、靜電分離等場合。工作原理如下:

全波整流將單相50周的交流電變換成直流電,由振盪器把直流電能再轉換成20千周左右的高頻電能,以便讓變壓器把電壓公升高到1萬伏左右,然後再由多倍壓整流器把它變成直流高壓輸出。作為多倍壓整流的例子,我們僅對高頻高壓發生器中的九倍壓整流部分感興趣,將它示於圖10中。由圖可見,該九倍壓整流器的電路結構形式與圖8電路是相似的。

直流電壓

可以從疊成串聯的電容器c1、c3、c5、c7和c9五個電容器兩端輸出。調節振盪器的輸出電壓。輸出的直流高壓可在六萬伏至十二萬伏範圍內變化。該裝置可供六支噴槍同時使用。

公升壓變壓器的製作和資料:初級線圈用3股φ0.19絲包線密繞50圈,在有機玻璃框架上繞一層,次級線圈是用φ0.

21絲漆包線,分繞在乙個有六格的有機玻璃框架上(亂繞),每格繞300圈,共計1800圈。分格繞制可以提高高壓線圈耐壓強度。格間繞組頭尾銜接的方法,可在每格的凸稜上開槽,將套接起來,這樣,可以滿足一定的絕緣要求。

線圈繞成後,將截面積為14×14公釐的口字型鐵氧體磁芯插入框架。變壓器結構如圖11所示。(振盪器部分的製作可參閱其他有關資料)

整流元件可用耐壓高的矽柱和硒柱。矽柱體積小,過載能力不及硒柱。一旦噴槍頭碰撞造成負載短路,硒柱能夠承受,矽柱則需要採取保護措施。

鑑於這個原因,本例採用耐壓大於20千伏、承受電流1毫安的硒柱作整流元件。所用電容器的規格是容量為2000微微法、耐壓為20千伏。

安裝注意點:①聯接時,整流元件的極性不要弄錯;②整流元件和電容器之間安裝

相距不宜過近,以免跳火;③整流器的全部元器件浸在變壓器油槽內,如圖12所示,以提高耐壓強度。

(2)sbm10 多用示波器高頻高壓電路

圖13所示為sbm10多用示波器高頻高壓電路。晶體三極體3ad30b組成的單管直流變換器振盪頻率為22千赫茲,次級高壓輸出有3.4千伏和1.

1千伏兩個繞組,經二極體d1—d5五倍壓整流和濾波後輸出10千伏加到示波器第四陽極,作偏轉加速電壓。

振盪變壓器的鐵芯採用鐵氧體e17,繞組採取分層平繞的方式,內層繞初級,外層繞次級。1.1千伏繞組採取雙根導線平行線法並繞在3.4千伏繞組的始端。

該電路還帶有直流反饋自動控制輸出幅度電路以解決高壓輸出的穩定性問題。這部分內容已超出本教程的範圍,故在圖13電路中沒有畫出。

電路中振盪管3ad30b是70年代產品,現在已淘汰。如要仿製可選用物美價廉的3dd15,關於單管自激式直流變換電路的製作可參閱有關資料這裡不再贅述。

倍壓整流電路原理:

(1)負半周時,即a為負、b為正時,d1導通、d2截止,電源經d1向電容器c1充電,在理想情況下,此半周內,d1可看成短路,同時電容器c1充電到vm,其電流路徑及電容器c1的極性如上圖(a)所示。

(2)正半周時,即a為正、b為負時,d1截止、d2導通,電源經c1、d1向c2充電,由於c1的vm再加上倍壓器二次側的vm使c2充電至最高值2vm,其電流路徑及電容器c2的極性如上圖(b)所示.

其實c2的電壓並無法在乙個半週內即充至2vm,它必須在幾周後才可漸漸趨近於2vm,為了方便說明,底下電路說明亦做如此假設。

如果半波倍壓器被用於沒有變壓器的電源**器時,我們必須將c1串聯一電流限制電阻,以保護二極體不受電源剛開始充電湧流的損害。

如果有乙個負載併聯在倍壓器的輸出出的話,如一般所預期地,在(輸入處)負的半周內電容器c2上的電壓會降低,然後在正的半周內再被充電到2vm如下圖所示。

圖1 直流半波整流電壓電路

(a)負半周(b)正半周

圖3 輸出電壓波形

所以電容器c2上的電壓波形是由電容濾波器過濾後的半波訊號,故此倍壓電

路稱為半波電壓電路。

正半周時,二極體d1所承受之最大的逆向電壓為2vm,負半波時,二極體d2所承受最大逆向電壓值亦為2vm,所以電路中應選擇piv 2vm的二極體。

2、全波倍壓電路

圖4 全波整流電壓電路

(a)正半周(b)負半周

圖5 全波電壓的工作原理

橋式整流電路圖及工作原理介紹

實驗橋式整流電路如圖1所示,圖 a b c 是橋式整流電路的三種不同畫法。由電源變壓器 四隻整流二極體d1 4 和負載電阻rl組成。四隻整流二極體接成電橋形式,故稱橋式整流。圖1 橋式整流電路圖 橋式整流電路的工作原理 如圖2所示。在u2的正半周,d1 d3導通,d2 d4截止,電流由tr次級上端經...

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