橋式整流電容濾波電路輸出電壓的波形分析

李文靜

（商丘醫學高等專科學校，河南商丘 476100）

整流電路的輸出電壓波形脈動程度較大，為使輸出電壓趨于平直，必須進行濾波。在小功率電路中，常采用電容濾波，即在整流電路輸出端并聯一個電容器C，負載RL再并聯其后，利用電容器的充、放電作用，使輸出電壓波形變得較為平直。但對于該電路的輸出電壓波形形成的分析，很多教材和文獻的說法不一，本文通過對比幾種說法，針對所存疑點進行深入分析，提出觀點，消除模糊認知。

1 輸出電壓波形分析中的幾種不同觀點

圖1 （a）橋式整流電容濾波電路

圖1 （b）輸出電壓波形

在輸出電壓波形分析的幾種不同觀點中，為分析方便，都忽略了二極管的正向壓u降，=并u設電容器初始電壓為零，由于電容器C與負載RL并聯，即 0c，可見，分析輸出電壓波形，就是對uc波形形成的分析和描述。

1.1 第一種說法

u2的正半周從零開始上升時，二極管D1、D3導通，向負載供電u的同時向電容C充電。若忽略二極管的正向壓降，0?t1時段,c與u2上升一致，即按正弦規律上升，直到t1時刻uc、u2均達到最大值。t1?t2時段，u2按正弦規律下降，電容開始放電，uc按指數規律下降。在t2時刻以后，由于u2＜uc，D1、D3反偏而提前截止，電容器通過負載電阻繼續放電，uc按放u電曲線bc段下降，直到u2的負半周，當u2＞uc時，D2、D4導通，2重新開始給電容充電，工作情況與正半周時相似。在輸入正弦電壓的一個周期內，電容器充電兩次，放電兩次，反復循環，使輸出電壓趨于平直。

可見此種觀點，對t1?t2時段的D1、D3狀態沒有給出描述，只指出電容開始放電且電壓按指數規律下降。D1、D3是在t2時刻以后才截止，截止原因是此時u2＜uc。

1.2 第二種說法

觀點表明，u此電路在t1?t2時段D1、D3導通并對電容器充電，但對此時段c的變化規律沒有給出描述。D1、D3在t2時刻不再導電，在t2?t3時段uc按指數規律下降，直到負半周，電容u器再次經過充電、放電過程，輸出與正半周時相似的uc波形，即0。

1.3 第三種說法

觀點表明，t1?t3時段，電容放電，uc按指數規律下降。D1、D3在t1時刻就開始截止，也即是說t1?t2時段，D1、D3已處于截止狀態。

此觀點認為，由于在t1?t2時段，電容電壓按指數規律下降的變化率u與副u邊電壓按正弦規律變化的變化率基本相同，可認為此時段c按2規律下降，只有t2時刻以后uc才按指數規律下降。

2 輸出電壓波形分析中存在的疑點及解析

2.1 存在的疑點

對比以上三種說法后，不難發現，對“0?t1時段,uc按正弦規律上升，與u2上升一致”以及“t2時刻以后uc是按指數規律下降”的觀點是一致的，但對于下面三個問題沒有明確，更沒有給出深入解析，容易引起大家的困惑。

問題一：0?t1時段,uc與u2上升一致，即按正弦規律上升,為什么？

問題二：t1?t2時段電容器到底是充電還是放電？判斷充、放電的標準是什么？

問題三：t1?t2時段D到底是導通還是截止？D的狀態對電容器充、放電有什么影響？

2.2 具體解析

第一個問題的提出，主要是對比圖2所示電容充、放電電路而引發的思考。

圖2 電容器充、放電電路

在該電路中，設電容器初始電壓為零。電源為穩恒直流電源，開關K扳向1時構成充電回路，開關K扳向2時構成放電回路，電容器充電過程中，它兩端的電壓隨時間按指數規律上升，即電容器放電過程中，它兩端的電壓隨時間按指數

?t規律下降，即uc放=UeRC。

而圖1電路中正弦交流電u2先通過整流輸出了含正弦交流成份的脈動直流電，然后對電容器進行充、放電。那么，這種情況下，電容器兩端電壓的變化有什么規律呢？這需要從電容對正弦輸入信號的零狀態響應說起。

圖3 （a）整流電路中D導通時電容充電電路

圖3 （b）整流電路中D截止時電容放電電路

圖1所示的整流濾波電路在滿足電容的充、放電條件時，充電電路、放電回路分別是圖3（a）、（b）。為了研究方便，對于圖3（a）電路，設u2(t) =U2sinωt(Rint包括副邊繞組的電阻和二極管D的正向電阻)。分析該電路，由KVL、KCL定律以及歐姆定律可得該動態電路的輸入/輸出微分方程[5]為：

（k為任意常數），在實際電路中有Rin《tRL及Rint≈0，于是輸出函數的圖形最終基本與正弦函數圖像一致，即uc≈U2sinωt。因此，由以上分析看出，0?t1時段,電容電壓是按正弦規律上升，uc與u2保持一致。

第一種觀點，沒有描述t1?t2時段D的工作狀態，直接給出電容開始放電的時刻t1及其指數下降規律；第二種觀點，確定了t1?t2時段D的工作狀態，但沒有描述此時段uc的變化規律；第三種觀點，則認為t1?t3時段，電容放電，只不過在t1?t2時段，電容電壓按指數規律下降的變化率與副邊電壓按正弦規律下降的變化率基本相同u，所以，t1?t2期間可認為uc按正弦規律下降，只有t2時刻以后c才按指數規律下降。

通過分析對比，可見三種說法中關于t1?tt2時?段t二極管的工作狀態及電容放電的起始時刻存有分歧，那么，12時段電容器是充電還是放電？D到底是導通還是截止？D的工作狀態對電容器充、放電有什么影響？若解決這些疑問，就要對二極管的工作狀態及電容器放電的起始時刻做出正確的判斷，找準判斷方法。

理想情況下，可忽略變壓器副邊電阻及二u極管的正向壓降的影響，設Rint≈0，這樣，由于電容兩端的電壓c等于變壓器副邊輸入電壓u2，二極管的工作狀態及電容放電的起始時刻就不能用二極管兩端的電位高低來判斷，而應u采用二極管兩u端的電位的變化率大小來判斷[6]，就是通過比較2的變化率與c的變化率的大小得出結論，即當 二極管正極電位有高于負極電位的趨勢，二極管即將導通；當時，二極管正極電位有低于負極電位的趨勢，二極管即將截止。因此，當二極管導通時，電路對電容器充電，uc≈U2sinωt，按正弦規律下降，反之，電容器對RL放電，按指數規律下降。

3 結論

在單相u橋=式u整流=濾u波電路中，電容C是直接并聯在負載RL兩端的，則cRLo，因此，從以上分析的結果看，若設電容器初始電壓為零，忽略二極管的正向壓降，橋式整流電容u濾波電路輸出電壓波形形成應做如下描述，即在0?t1時段,當2的正半周從零開始u上升時，二極管D1、D3導通，向負載供電的同時向電容C充電t，?ct隨u2按正弦規律上升u，直到t1時刻uc、uu2均達到最大值；1t2時段，D1、D3導通，c仍然充電且隨2按正弦規律u下降；在2時刻以后，D1、D3截u止，電容器通過負載電阻u放電，c按放電曲u線bc段下降，直到2的負半周，當u2＞c時，D2、D4導通，2重新開始給電容充電，工作情況與正半周時相似。在輸入正弦電壓的一個周期內，電容器充電兩次，放電兩次，反復循環，使輸出電壓波形趨于平直。

[1]陳武凡主編.影像電子學基礎[M].人民衛生出版社,2008.

[2]朱小芳主編.影像電子學基礎[M].人民衛生出版社,2009.

[3]童詩白主編.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社,1988.

[4]華成英,電容濾波電路及穩壓管濾波電路[EB/OL].[2010.6]北京:中央廣播電視大學

[5]劉暢.動態電路對正弦輸入的零狀態響應 [J].硅谷,2012(7)

[6]麻幼學.全波整流電容濾波電路輸出電壓波形與電壓平均值公式的討論[J].肇慶學院學報,2004,25(2)