整流器滤波电路

一、整流器滤波电路概述

整流器滤波电路的主要功能是将交流电（AC）转换为直流电（DC），并通过滤波器减少波动以输出稳定的直流电。其工作原理主要分为两个部分：整流部分和滤波部分。

二、整流电路

整流电路是将交流电（AC）转换为直流电（DC）的电路，广泛应用于电源适配器、充电器、开关电源等设备中。整流是电子设备中最基础和重要的步骤之一，因为大多数电子设备都需要稳定的直流电源。

1.整流电路的分类

整流电路根据整流方式可以分为半桥整流、全桥整流和桥式整流三类。它们的主要区别在于如何处理输入的交流电信号。

（1）半波整流电路

半波整流是最简单的整流方式，它只利用输入交流信号的正半周期，将其转换为直流信号，而负半周期被阻断。

半波整流电路图：

工作原理：

半波整流电路使用一个二极管来控制电流的流向。
当交流电压处于正半周期时，变压器原端和副端上正下负，二极管正向导通，电流流向负载，输出正的脉动直流电压。
当交流电压处于负半周期时，变压器原端和副端上负下正，二极管反向偏置，阻断电流，输出电压为零。
输入电压和输出电压的波形图如下：

特点：

电路简单，仅需要一个二极管。
输出电压为脉动直流，直流分量少，波动较大。
功率利用率低，只有一半的输入电压被转换为直流电。

（2）全波整流电路

全波整流能够利用输入电压的两个半周期，将正负半周期都转换为正的直流电，从而提高功率利用率。

全波整流电路图：

工作原理：

全波整流电路通常通过变压器的中心抽头与两个二极管配合使用，能够使交流信号的正负半周期分别通过不同的二极管。
在交流电的正半周期，变压器副端上半部分上正下负，第一个二极管导通，电流通过负载。
在负半周期，变压器副端下半部分上负下正，第二个二极管导通，电流同样通过负载，但方向一致，形成脉动的直流电。
输入电压和输出电压的波形图如下：

特点：

利用两个二极管来处理正、负半周期，功率利用率比半波整流更高。
输出电压的脉动频率是输入交流频率的两倍，波动小于半波整流。
需要中心抽头变压器，因此电路相对复杂。

（3）桥式整流电路

桥式整流是最常用的整流方式，它通过四个二极管组成的桥式结构，不需要变压器的中心抽头，即可实现全波整流的效果。

全波整流电路图：

工作原理：

桥式整流电路由四个二极管组成。无论交流电处于正半周期还是负半周期，总有两只二极管导通，形成电流的闭合回路。
当交流电处于正半周期时，两个二极管（D1 和 D3）导通，电流通过负载。
当交流电处于负半周期时，另外两个二极管（D2 和 D4）导通，电流依然通过负载，但方向与正半周期相同。
因此，桥式整流能够将正负半周期的电流都转化为相同方向的脉动直流电。
输入电压和输出电压的波形图如下：

特点：

不需要变压器的中心抽头，结构紧凑且适合大多数应用。
功率利用率高，输出电压脉动频率是输入频率的两倍。
二极管的压降导致一定的功率损耗（每个周期有两个二极管同时导通），开关频率高的时候，损耗就挺大。

（4）桥式整流电路MATLAB仿真

仿真模型图：

powergui设置为Discrete

交流电源源AC设置 311V 50Hz

负载电阻R设置 100欧姆

示波器设置为两个显示区域

实验结果：

结论：

桥式整流电路整流后的电压波形为馒头波；输出电压由于其还包含明显的波纹成分（脉动直流电），需要通过滤波器进行平滑处理。

三、滤波电路

滤波电路是用来平滑电流或电压信号，去除不必要的频率成分，尤其是消除交流电中高频或低频的噪声信号，使输出更接近理想的直流或所需的信号波形。滤波电路在整流电路后尤其重要，因为整流后的电压是脉动的直流电，仍然含有较大的波纹，需要滤波电路来平滑波形，生成更稳定的直流电压。

1.滤波电路的作用

滤波电路的主要作用是去除不需要的频率成分，主要分为以下几种情况：

电源滤波：整流后的直流电往往含有脉动成分，滤波电路用于去除这些波动，使输出更稳定，比如上述的输出电压是馒头波，就需要进行滤波。
信号滤波：在电子信号处理中，滤波电路用于选择特定频段的信号并抑制不需要的频率成分，如去除噪声、平滑信号等。

2.滤波电路的分类

滤波电路根据不同的应用可以有多种类型，常见的有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

低通滤波器（LPF，Low-Pass Filter）：允许低频信号通过，抑制高频信号。
高通滤波器（HPF，High-Pass Filter）：允许高频信号通过，抑制低频信号。
带通滤波器（BPF，Band-Pass Filter）：允许某个特定频段的信号通过，抑制其他频率的信号。
带阻滤波器（BSF，Band-Stop Filter）：抑制某个特定频段的信号，允许其他频率的信号通过。

3.滤波电路的基本元件

滤波电路通常由电阻、电容和电感等元件构成，不同的元件组合产生不同的滤波效果。

(1) 电容滤波

电容滤波是最常见的滤波方式，尤其是在整流电路中。

工作原理：电容器具有充放电特性，在电压上升时，电容器会充电，储存能量；在电压下降时，电容器会放电，补偿电压的降低。因此，电容能够平滑电压的波动，减少波纹。
典型应用：整流电路后的滤波，电容滤波器通常用于降低整流后脉动直流电的纹波电压，使输出电压更加平稳。

电容滤波电路图：

缺点：电容滤波对较高频率的脉动成分效果较好，但对低频纹波效果有限。

(2) 电感滤波

电感滤波器利用电感的电流自感特性来平滑电流波动。

工作原理：电感器对电流的变化有一定的阻碍作用，即当电流快速变化时，电感器会产生感应电压来抵消变化，抑制电流的剧烈变化。因此，电感器可以平滑电流，尤其适用于抑制电流的高频分量。
典型应用：电感滤波常用于需要平滑直流电流的场合，尤其是在开关电源或大功率电源中。

电感滤波电路图：

优点：与电容滤波相比，电感滤波对低频纹波有更好的滤波效果。
缺点：电感器体积大，成本较高，不适合空间有限的场合。

(3) LC滤波器（电感-电容滤波）

LC滤波器是电感与电容的组合，能够同时对电压和电流进行平滑处理。

工作原理：电容用来滤除高频噪声，电感用来滤除低频纹波。LC滤波器可以通过调整电感和电容的值来设定滤波的频率范围，实现对宽频带的噪声或波纹抑制。

LC滤波电路图：

优点：具有良好的滤波效果，适合用于较大功率的设备。
缺点：电感的体积较大，LC滤波器通常比较占空间。

(4) RC滤波器（电阻-电容滤波）

RC滤波器利用电阻与电容的组合，形成简单的滤波电路，通常用于信号处理。

工作原理：电阻和电容的组合形成了一个时间常数，能够对信号中的高频成分进行衰减。RC滤波器常用于低功率场合，如音频滤波、信号滤波等。

RC滤波电路：

优点：电路简单、成本低，适合小型电路。
缺点：与LC滤波器相比，RC滤波器的滤波效果相对较差，特别是在大功率应用中，功率损耗较大。

(5) 电容滤波电路MATLAB仿真

仿真模型：

电容设置1毫亨

实验结果

结论：

加电容滤波后输出电压（蓝色）变得平稳，但是输出电流（第二个波形图）变成了锯齿波，电流畸变非常严重，对应的谐波失真THD值就很大，更别说功率因数。
想要电压变得更平稳，需要加大电容的容值，这样的话会进一步增加电流的谐波。
由于电容的存在，输出电压无法突变，当输入电压达到峰值后，电容电压也会充电到峰值。当输入电压下降，电容电压并不会跟随下降（负载会消耗其能量使其电压降低）。另外由于电容的伏安特性，流过电容的电流与其两端电压的变化率成正比。所以造成输入电流并不是跟随电压的正弦波。
造成谐波现象的原因就是输出电容。整流桥整流后的波形为馒头波，只有当整流后的电压大于电容电压时才会有电流流过整流桥的二极管。这就造成了只有输入电压和电容电压都峰值的时候，输入电压短暂的大于电容电压，这才有电流流过，也就是上图谐波产生的原因。

加大电容后输出结果，输出电压变得更平稳，但是电流谐波峰值明显增大（如下图）。如果把输出电容断开，输入电流就是标准的正弦波了，但是，输出电压就也成了正弦波。显然，输出电容是必不可少的。