倍压整流电路的工作原理及电路分析(史上最全)

倍压整流电路的工作原理及电路设计倍压整流电路的工作原理及电路设计 在某些电子设备中 需要高压 几千伏甚至几万伏 在某些电子设备中 需要高压 几千伏甚至几万伏 小电流的电源电路 一般都 小电流的电源电路 一般都 不采用前面讨论过的几种整流方式 因为那种整流电路的整流变压器的次级电压必须升不采用前面讨论过的几种整流方式 因为那种整流电路的整流变压器的次级电压必须升 的很高 圈数势必很多 绕制困难 这里介绍的倍压整流电路 在较小电流的条件下 的很高 圈数势必很多 绕制困难 这里介绍的倍压整流电路 在较小电流的条件下 能提供高于变压器次级输入的交流电压幅值数倍的直流电压 可以避免使用变压比很高能提供高于变压器次级输入的交流电压幅值数倍的直流电压 可以避免使用变压比很高 的升压变压器 整流元件的耐压相对也可较低 所以这类整流电路特别适用于需要高电的升压变压器 整流元件的耐压相对也可较低 所以这类整流电路特别适用于需要高电 压 小电流的场合 压 小电流的场合 倍压整流是利用电容的充放电效应工作的整流方式 它的基本电路是二倍压整流电倍压整流是利用电容的充放电效应工作的整流方式 它的基本电路是二倍压整流电 路 多倍压整流电路是二倍压电路的推广 路 多倍压整流电路是二倍压电路的推广 1 二倍压整流电路 二倍压整流电路 1 桥式二倍压整流电路桥式二倍压整流电路 图图 1 所示电路是桥式倍压整流电路 图所示电路是桥式倍压整流电路 图 1 的的 1 和和 2 为同一电路的两种不同画法 为同一电路的两种不同画法 在这里 用两个电容器取代了全波桥式整流电路中的两只二极管 整流管在这里 用两个电容器取代了全波桥式整流电路中的两只二极管 整流管 D1 D2在交在交 流电的两个半周分别进行半波整流 各自对电容流电的两个半周分别进行半波整流 各自对电容 C1和和 C2充电 由负载充电 由负载 RL与与 C1 C2回回 路看 两个电容是接成串联的 负载路看 两个电容是接成串联的 负载 RL上的直流电能是由上的直流电能是由 C1 C2共同供给的 共同供给的 当当 e2正半周时 正半周时 D1导通 如果负载电阻导通 如果负载电阻 RL很大 即流过很大 即流过 RL的电流很小的话 整的电流很小的话 整 流电流流电流iD1使使 C1充电到充电到E2的电压 并基本保持不变 极向如图中所示 同样 当的电压 并基本保持不变 极向如图中所示 同样 当 e22 负半周时 经负半周时 经 D2对对 C2也充上也充上 E2的电压 极向如图中所示 跨接在两个串联电容两的电压 极向如图中所示 跨接在两个串联电容两2 端的负载端的负载 RL上的电压上的电压 UL U C1 U C2 接近于 接近于 e2幅值的两倍 所以称这种电路为二倍压幅值的两倍 所以称这种电路为二倍压 整流电路 整流电路 实际上 在正半周实际上 在正半周 C1被充电到幅值被充电到幅值 E2后 后 D1随即截止 随即截止 C1将经过将经过 RL对对 C2放放2 电 电 U C1将有所降低 在负半周 当将有所降低 在负半周 当 C2被充电到幅值被充电到幅值 E2后 后 D2截止 截止 C2的放电回的放电回2 路是由路是由 C1至至 RL U C2也应有所降低 这样 也应有所降低 这样 U C1和和 U C2的平均值都应略低于的平均值都应略低于 E2 2 也即负载电压是不到次级绕组电压幅值的两倍的 只有在负载也即负载电压是不到次级绕组电压幅值的两倍的 只有在负载 RL很大时 很大时 UL 2 E2 U C1 U C2及及 UL的变化规律如图的变化规律如图 2 所示 所示 这种整流电路中每个整流元件承受的最大反向电压是这种整流电路中每个整流元件承受的最大反向电压是 2 E2 电容器 电容器 C1 C2上承上承2 受的电压为受的电压为 E2 这里的电容器同时也起到滤波的作用 电容值愈大 输出电压中的 这里的电容器同时也起到滤波的作用 电容值愈大 输出电压中的2 纹波成分愈小 可以看出 这种电路的交流输入端和直流输出端是不能同时接地的 纹波成分愈小 可以看出 这种电路的交流输入端和直流输出端是不能同时接地的 2 半波二倍压整流电路 半波二倍压整流电路 半波二倍压整流电路如图半波二倍压整流电路如图 3 所示 这种电路的两个半波整流充电环节前后串联 交所示 这种电路的两个半波整流充电环节前后串联 交 流输入和直流输出有一公共端点 流输入和直流输出有一公共端点 当交流电压当交流电压 e2在正半周时 在正半周时 D1导通 导通 C1通过通过 D1被充电到被充电到 e2的峰值的峰值 E2 极向如 极向如2 图图 4 中所示 在交流电压中所示 在交流电压 e2为负半周时 为负半周时 D1因受反向电压而截止 因受反向电压而截止 D2则受正向电压而则受正向电压而 导通 在导通 在 D2导通期间 电容导通期间 电容 C1上的电压上的电压 E2M E2因维持不变 其作用类似于一个因维持不变 其作用类似于一个2 直流电源 它与交流电源相串联 所以 直流电源 它与交流电源相串联 所以 C1上的电压上的电压 U C1与电源电压 与电源电压 e2相加 经相加 经 D2 向向 C2充电 充电电压是充电 充电电压是 e2 U C1 在 在 C2因充电而获得电荷时 因充电而获得电荷时 C1将因本身放电而失去将因本身放电而失去 同样数量的电荷 但在这随后的正半周充电中就可以得到补充 经过几个周期以后 从同样数量的电荷 但在这随后的正半周充电中就可以得到补充 经过几个周期以后 从 C1转移到上转移到上 C2的电荷将减少到零 于是的电荷将减少到零 于是 U C1保持了最大的电压保持了最大的电压 E2M E2 在此后 在此后2 的负半周期中 的负半周期中 C2上充电的电压上充电的电压 U C2达到最大值 即 达到最大值 即 2E2M 如图 如图 3 所示 负载是与所示 负载是与 C2并联的 所以负载上的电压就是并联的 所以负载上的电压就是 2E2M 当当 D2截止后 截止后 C2继续通过继续通过 RL放电 输出的直流电压放电 输出的直流电压 U C2将随之有所降低 直到 将随之有所降低 直到 下一个负半周再度充电为止 所以输出直流电压是下一个负半周再度充电为止 所以输出直流电压是 U C2在一个周期内起伏的平均值 是在一个周期内起伏的平均值 是 低于的低于的 2E2M RL愈大 输出直流电压愈接近于愈大 输出直流电压愈接近于 2E2M 与桥式二倍压整流电路相比较 这里交流电源一周期内只给与桥式二倍压整流电路相比较 这里交流电源一周期内只给 C2进行一次脉冲式的进行一次脉冲式的 充电 纹波分量的最低频率较前一种电路减少一半 在元件参量相同时 因为这里的充电 纹波分量的最低频率较前一种电路减少一半 在元件参量相同时 因为这里的 C2放电时间较长 纹波电压的幅值也相应较大 在桥式倍压电路中 放电时间较长 纹波电压的幅值也相应较大 在桥式倍压电路中 C1和和 C2承受的直承受的直 流电压都是流电压都是 E2M 即 即 E2 而这里 而这里 C2承受的直流电压是承受的直流电压是 2E2M 在两种电路中 每一 在两种电路中 每一2 整流管承受的反峰电压都等于整流管承受的反峰电压都等于 2E2M 2 三倍压 多倍压整流电路三倍压 多倍压整流电路 把二倍压整流电路推广 可以构成三倍压整流或多倍压整流电路 把二倍压整流电路推广 可以构成三倍压整流或多倍压整流电路 1 三倍压整流电路 三倍压整流电路 图图 5 电路是一种三倍压整流电路 它是在图电路是一种三倍压整流电路 它是在图 3 半波二倍压整流电路的基础上再串接半波二倍压整流电路的基础上再串接 一节半波整流电路构成的 该电路的整流管一节半波整流电路构成的 该电路的整流管 D1 D2和电容器和电容器 C1 C2构成了半波二倍压构成了半波二倍压 整流电路 这一部分电路的工作情况与图整流电路 这一部分电路的工作情况与图 3 所示电路是完全一样的 在三倍压电路中 所示电路是完全一样的 在三倍压电路中 整流管整流管 D3是在交流电源正半周时导通的 是在交流电源正半周时导通的 D3导通时 电容器导通时 电容器 C2与电源串联 通过与电源串联 通过 D3 对对 C3充电 因此 充电 因此 C3将被充电到将被充电到 3 E2M 当负载接在 当负载接在 C3两端时 负载上所获得的直流两端时 负载上所获得的直流 电压电压 UL将接近于电源变压器次级交流电压幅值的三倍 将接近于电源变压器次级交流电压幅值的三倍 图图 6 电路是另一种三倍压整流电路 它同样是以图电路是另一种三倍压整流电路 它同样是以图 3 电路为基础的 这里与图电路为基础的 这里与图 5 电电 路所不同的地方 就在于第三个整流充电环节中的电容器路所不同的地方 就在于第三个整流充电环节中的电容器 C3不是像图不是像图 5 那样直接接地 那样直接接地 而是通过电容器而是通过电容器 C1接地的 因此 在接地的 因此 在 D3导通时是由电容器导通时是由电容器 C2 交流电源和电容器 交流电源和电容器 C3 三者串联通过三者串联通过 D3对对 C3充电的 充电的 C3上充电的最大电压值为上述三者最大电压的代数和 上充电的最大电压值为上述三者最大电压的代数和 当交流电源为正的当交流电源为正的 E2M时 恰好与时 恰好与 C1上的直流电压大小相等 方向相反 对于电容器上的直流电压大小相等 方向相反 对于电容器 C3来讲 这两者是相互抵消的 因此 来讲 这两者是相互抵消的 因此 C3上最大可能的充电电压与上最大可能的充电电压与 C2一样 都是一样 都是 2 E2M 如果负载跨接在电容器 如果负载跨接在电容器 C1和和 C3两端 那么负载上的直流电压应为 两端 那么负载上的直流电压应为 UL U C1 U C2 E2M 2 E2M 3 E2M 在图在图 5 和图和图 6 两种三倍压电路中 每个二极管两端间的反向电压都是变压器峰值电两种三倍压电路中 每个二极管两端间的反向电压都是变压器峰值电 压的二倍 电容器承受的最大直流电压 压的二倍 电容器承受的最大直流电压 C1都是都是 E2M C2都是都是 2 E2M 只是 只是 C3所承受所承受 的电压不一样 在图的电压不一样 在图 5 中中 C3的耐压应为的耐压应为 3 E2M 而在图 而在图 6 中则为中则为 2 E2M 这两种电路的 这两种电路的 交流输入和直流输出端之间都有公共端点 交流输入和直流输出端之间都有公共端点 2 多倍压整流电压 多倍压整流电压 二倍压整流电路采用了二个整流管和二个电容器 三倍压整流电路采用三个整流管二倍压整流电路采用了二个整流管和二个电容器 三倍压整流电路采用三个整流管 和三个电容器 欲获得直流高压 可采用由和三个电容器 欲获得直流高压 可采用由 n 个整流元件和个整流元件和 n 个电容器组成的个电容器组成的 n 倍压整倍压整 流电路 图流电路 图 7 为七倍压整流电路 它是图为七倍压整流电路 它是图 5 电路的推广 电路的推广 C7被充电至七倍电压 此电路被充电至七倍电压 此电路 中 电容器耐压须随级数的增加而增高 对中 电容器耐压须随级数的增加而增高 对 n 倍压的电路 则须耐倍压的电路 则须耐 n E2M的电压 的电压 图图 8 是另一种形式的七倍压整流电路 它是图是另一种形式的七倍压整流电路 它是图 6 电路的推广 在此电路中 所有的电路的推广 在此电路中 所有的 整流元件都是串联连接的 电容器按每隔一接点的方式接入 分布在整流管两侧 呈叠整流元件都是串联连接的 电容器按每隔一接点的方式接入 分布在整流管两侧 呈叠 层形 由于每一测电容是叠层串联 其结果也可以产生层形 由于每一测电容是叠层串联 其结果也可以产生 n 倍电压 图倍电压 图 8 所要求整流器的所要求整流器的 耐压与图耐压与图 7 要求相同 都是要求相同 都是 2 E2M 而电容器的耐压 除 而电容器的耐压 除 C1为为 E2M外 其余均为外 其余均为 2 E2M 即可 从这个意义上讲 它是图即可 从这个意义上讲 它是图 7 电路的一种改进 电路的一种改进 3 应用举例 应用举例 1 静电喷漆高频高压发射器静电喷漆高频高压发射器 图图 9 是高频高压发生器的方框图 它是用于金属工件表面静电喷漆的一种设备 还是高频高压发生器的方框图 它是用于金属工件表面静电喷漆的一种设备 还 可以用于静电吸尘 静电植绒 静电分离等场合 工作原理如下 全波整流将单相可以用于静电吸尘 静电植绒 静电分离等场合 工作原理如下 全波整流将单相 50 周的交流电变换成直流电 由振荡器把直流电能再转换成周的交流电变换成直流电 由振荡器把直流电能再转换成 20 千周左右的高频电能 以千周左右的高频电能 以 便让变压器把电压升高到便让变压器把电压升高到 1 万伏左右 然后再由多倍压整流器把它变成直流高压输出 万伏左右 然后再由多倍压整流器把它变成直流高压输出 作为多倍压整流的例子 我们仅对高频高压发生器中的九倍压整流部分感兴趣 将它示作为多倍压整流的例子 我们仅对高频高压发生器中的九倍压整流部分感兴趣 将它示 于图于图 10 中 由图可见 该九倍压整流器的电路结构形式与图中 由图可见 该九倍压整流器的电路结构形式与图 8 电路是相似的 直流电电路是相似的 直流电 压压 可以从叠成串联的电容器可以从叠成串联的电容器 C1 C3 C5 C7和和 C9五个电容器两端输出 调节振荡器的输五个电容器两端输出 调节振荡器的输 出电压 输出的直流高压可在六万伏至十二万伏范围内变化 该设备可供六支喷枪同时出电压 输出的直流高压可在六万伏至十二万伏范围内变化 该设备可供六支喷枪同时 使用 使用 升压变压器的制作和数据 初级线圈用升压变压器的制作和数据 初级线圈用 3 股股 0 19 丝包线密绕丝包线密绕 50 圈 在有机玻璃圈 在有机玻璃 框架上绕一层 次级线圈是用框架上绕一层 次级线圈是用 0 21 丝漆包线 分绕在一个有六格的有机玻璃框架上丝漆包线 分绕在一个有六格的有机玻璃框架上 乱绕 乱绕 每格绕 每格绕 300 圈 共计圈 共计 1800 圈 分格绕制可以提高高压线圈耐压强度 格间绕圈 分格绕制可以提高高压线圈耐压强度 格间绕 组头尾衔接的方法 可在每格的凸棱上开槽 将套接起来 这样 可以满足一定的绝缘组头尾衔接的方法 可在每格的凸棱上开槽 将套接起来 这样 可以满足一定的绝缘 要求 线圈绕成后 将截面积为要求 线圈绕成后 将截面积为 14 14 毫米的口字型铁氧体磁芯插入框架 变压器结毫米的口字型铁氧体磁芯插入框架 变压器结 构如图构如图 11 所示 所示 振荡器部分的制作可参阅其他有关资料 振荡器部分的制作可参阅其他有关资料 整流元件可用耐压高的硅柱和硒柱 硅柱体积小 过载能力不及硒柱 一旦喷枪头整流元件可用耐压高的硅柱和硒柱 硅柱体积小 过载能力不及硒柱 一旦喷枪头 碰撞造成负载短路 硒柱能够承受 硅柱则需要采取保护措施 鉴于这个原因 本例采碰撞造成负载短路 硒柱能够承受 硅柱则需要采取保护措施 鉴于这个原因 本例采 用耐压大于用耐压大于 20 千伏 承受电流千伏 承受电流 1 毫安的硒柱作整流元件 所用电容器的规格是容量为毫安的硒柱作整流元件 所用电容器的规格是容量为 2000 微微法 耐压为微微法 耐压为 20 千伏 千伏 安装注意点 安装注意点 联接时 整流元件的极性不要弄错 联接时 整流元件的极性不要弄错 整流元件和电容器之间安装整流元件和电容器之间安装 相距不宜过近 以免跳火 相距不宜过近 以免跳火 整流器的全部元器件浸在变压器油槽内 如图整流器的全部元器件浸在变压器油槽内 如图 12 所示 所示 以提高耐压强度 以提高耐压强度 2 SBM10 多用示波器高频高压电路多用示波器高频高压电路 图图 13 所示为所示为 SBM10 多用示波器高频高压电路 晶体三极管多用示波器高频高压电路 晶体三极管 3AD30B 组成的单管直组成的单管直 流变换器振荡频率为流变换器振荡频率为 22 千赫兹 次级高压输出有千赫兹 次级高压输出有 3 4 千伏和千伏和 1 1 千伏两个绕组 经二极千伏两个绕组 经二极 管管 D1 D5五倍压整流和滤波后输出五倍压整流和滤波后输出 10 千伏加到示波器第四阳极 作偏转加速电压 千伏加到示波器第四阳极 作偏转加速电压 振荡变压器的铁芯采用铁氧体振荡变压器的铁芯采用铁氧体 E17 绕组采取分层平绕的方式 内层绕初级 外层 绕组采取分层平绕的方式 内层绕初级 外层 绕次级 绕次级 1 1 千伏绕组采取双根导线平行线法并绕在千伏绕组采取双根导线平行线法并绕在 3 4 千伏绕组的始端 千伏绕组的始端 该电路还带有直流反馈自动控制输出幅度电路以解决高压输出的稳定性问题 这部该电路还带有直流反馈自动控制输出幅度电路以解决高压输出的稳定性问题 这部 分内容已超出本教程的范围 故在图分内容已超出本教程的范围 故在图 13 电路中没有画出 电路中没有画出 电路中振荡管电路中振荡管 3AD30B 是是 70 年代产品 现在已淘汰 如要仿制可选用物美价廉的年代产品 现在已淘汰 如要仿制可选用物美价廉的 3DD15 关于单管自激式直流变换电路的制作可参阅有关资料这里不再赘述 关于单管自激式直流变换电路的制作可参阅有关资料这里不再赘述 倍压整流电路原理 1 负半周时 即 A 为负 B 为正时 D1 导通 D2 截止 电源经 D1 向电容器 C1 充 电 在理想情况下 此半周内 D1 可看成短路 同时电容器 C1 充电到 Vm 其电流路 径及电容器 C1 的极性如上图 a 所示 2 正半周时 即 A 为正 B 为负时 D1 截止 D2 导通 电源经 C1 D1 向 C2 充电 由于 C1 的 Vm 再加上倍压器二次侧的 Vm 使 c2 充电至最高值 2Vm 其电流路径及电 容器 C2 的极性如上图 b 所示 其实 C2 的电压并无法在一个半周内即充至 2Vm 它必须在几周后才可渐渐趋近于 2Vm 为了方便说明 底下电路说明亦做如此假设 如果半波倍压器被用于没有变压器的电源供应器时 我们必须将 C1 串联一电流限制电 阻 以保护二极管不受电源刚开始充电涌流的损害 如果有一个负载并联在倍压器的输出出的话 如一般所预期地 在 输入处 负的半周 内电容器 C2 上的电压会降低 然后在正的半周内再被充电到 2Vm 如下图所示 图 1 直流半波整流电压电路 a 负半周 b 正半周 图 3 输出电压波形 所以电容器 c2 上的电压波形是由电容滤波器过滤后的半波讯号 故此倍压电 路称为半波电压电路 正半周时 二极管 D1 所承受之最大的逆向电压为 2Vm 负半波时 二极管 D2 所承受 最大逆向电压值亦为 2Vm 所以电路中应选择 PIV 2Vm 的二极管 2 全波倍压电路 图 4 全波整流电压电路 a 正半周 b 负半周 图 5 全波电压的工作原理 正半周时 D1 导通 D2 截止 电容器 C1 充电到 Vm 其电流路径及电容 C1 的极性如 上图 a 所示 负半周时 D1 截止 D2 导通 电容器 C2 充电到 Vm 其电流路径及电容 C2 的极性如 上图 b 所示 由于 C1 与 C2 串联 故输出直流电压 V0 Vm 如果没有自电路抽取负载电流的话 电容器 C1 及 C2 上的电压