倍壓整流電路的工作原理及電路分析

倍壓整流電路的工作原理及電路設(shè)計(jì)在某些電子設(shè)備中，需要高壓（幾千伏甚至幾萬(wàn)伏）、小電流的電源電路。一般都不采用前面討論過(guò)的幾種整流方式，因?yàn)槟欠N整流電路的整流變壓器的次級(jí)電壓必須升的很高，圈數(shù)勢(shì)必很多，繞制困難。這里介紹的倍壓整流電路，在較小電流的條件下，能提供高于變壓器次級(jí)輸入的交流電壓幅值數(shù)倍的直流電壓，可以避免使用變壓比很高的升壓變壓器，整流元件的耐壓相對(duì)也可較低，所以這類整流電路特別適用于需要高電壓、小電流的場(chǎng)合。倍壓整流是利用電容的充放電效應(yīng)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。在這里，用兩個(gè)電容器取代了全波橋式整流電路中的兩只二極管。整流管L、d2在交流電的兩個(gè)半周分別進(jìn)行半波整流。各自對(duì)電容C1和C2充電。由負(fù)載Rl與CpC2回路看，兩個(gè)電容是接成串聯(lián)的。負(fù)載rl上的直流電能是由CpC2共同供給的。⑴ 以）圖1當(dāng)e2正半周時(shí)，D1導(dǎo)通，如果負(fù)載電阻Rl很大，即流過(guò)Rl的電流很小的話，整流電流iD1使C1充電到應(yīng)E2的電壓，并基本保持不變，極向如圖中所示。同樣，當(dāng)e2負(fù)半周時(shí)，經(jīng)D2對(duì)C2也充上「2E2的電壓，極向如圖中所示?？缃釉趦蓚€(gè)串聯(lián)電容兩端的負(fù)載Rl上的電壓UL=UC1+UC2,接近于e2幅值的兩倍。所以稱這種電路為二倍壓整流電路。實(shí)際上，在正半周C1被充電到幅值、2E2后，D1隨即截止，C1將經(jīng)過(guò)Rl對(duì)C2放電，UC1將有所降低。在負(fù)半周，當(dāng)C2被充電到幅值克E2后，D2截止，C2的放電回路是由C1至Rl，UC2也應(yīng)有所降低。這樣，UC1和UC2的平均值都應(yīng)略低于點(diǎn)e2,也即負(fù)載電壓是不到次級(jí)繞組電壓幅值的兩倍的。只有在負(fù)載rl很大時(shí),ULe互e2。UC1、UC2及UL的變化規(guī)律如圖2所示。這種整流電路中每個(gè)整流元件承受的最大反向電壓是2.克E2,電容器C1>C2上承受的電壓為、2e2,這里的電容器同時(shí)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?？梢钥闯?，這種電路的交流輸入端和直流輸出端是不能同時(shí)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(gè)半波整流充電環(huán)節(jié)前后串聯(lián)，交流輸入和直流輸出有一公共端點(diǎn)。當(dāng)交流電壓e2在正半周時(shí)，D1導(dǎo)通，C1通過(guò)D1被充電到e2的峰值t2E2，極向如圖4中所示。在交流電壓e2為負(fù)半周時(shí)，D1因受反向電壓而截止，D2則受正向電壓而導(dǎo)通。在D2導(dǎo)通期間，電容C1上的電壓E2M=<2E2因維持不變，其作用類似于一個(gè)直流電源。它與交流電源相串聯(lián)，所以，C1上的電壓UC1與電源電壓e2相加，經(jīng)D2向C2充電，充電電壓是e2+UC1。在C2因充電而獲得電荷時(shí)，C1將因本身放電而失去同樣數(shù)量的電荷，但在這隨后的正半周充電中就可以得到補(bǔ)充。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期以后，從C1轉(zhuǎn)移到上C2的電荷將減少到零。于是UC1保持了最大的電壓e2M=巨e2，在此后的負(fù)半周期中，C2上充電的電壓UC2達(dá)到最大值，即2E2M。如圖3所示，負(fù)載是與C2并聯(lián)的，所以負(fù)載上的電壓就是2E2M。當(dāng)D2截止后，C2繼續(xù)通過(guò)Rl放電，輸出的直流電壓UC2將隨之有所降低，直到下一個(gè)負(fù)半周再度充電為止。所以輸出直流電壓是UC2在一個(gè)周期內(nèi)起伏的平均值，是低于的2E2M。Rl愈大，輸出直流電壓愈接近于2E2M。與橋式二倍壓整流電路相比較，這里交流電源一周期內(nèi)只給C2進(jìn)行一次脈沖式的充電，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(shí)，因?yàn)檫@里的C2放電時(shí)間較長(zhǎng)，紋波電壓的幅值也相應(yīng)較大。在橋式倍壓電路中，C1和C2承受的直流電壓都是氣源（即框E2），而這里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于2E2M。⑴ (2)圖42、三倍壓、多倍壓整流電路把二倍壓整流電路推廣，可以構(gòu)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(chǔ)上再串接一節(jié)半波整流電路構(gòu)成的。該電路的整流管D1>D2和電容器C「C2構(gòu)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(shí)導(dǎo)通的。D3導(dǎo)通時(shí)，電容器C2與電源串聯(lián)，通過(guò)D3對(duì)C3充電。因此，C3將被充電到3E2M。當(dāng)負(fù)載接在C3兩端時(shí)，負(fù)載上所獲得的直流電壓UL將接近于電源變壓器次級(jí)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(chǔ)的。這里與圖5電路所不同的地方，就在于第三個(gè)整流充電環(huán)節(jié)中的電容器C3不是像圖5那樣直接接地，而是通過(guò)電容器C1接地的。因此，在D3導(dǎo)通時(shí)是由電容器弓、交流電源和電容器C3三者串聯(lián)通過(guò)D3對(duì)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(shù)和。當(dāng)交流電源為正的E2M時(shí)，恰好與C1上的直流電壓大小相等、方向相反，對(duì)于電容器C3來(lái)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2E2M。如果負(fù)載跨接在電容器C1和C3兩端，那么負(fù)載上的直流電壓應(yīng)為：ul^uC1+uC2=e2M+2E2M=3E2M。在圖5和圖6兩種三倍壓電路中，每個(gè)二極管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2E2M，只是C3所承受的電壓不一樣。在圖5中C3的耐壓應(yīng)為3E2M，而在圖6中則為2E2M。這兩種電路的交流輸入和直流輸出端之間都有公共端點(diǎn)。(2)多倍壓整流電壓二倍壓整流電路采用了二個(gè)整流管和二個(gè)電容器，三倍壓整流電路采用三個(gè)整流管

和三個(gè)電容器。欲獲得直流高壓，可采用由n個(gè)整流元件和n個(gè)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(jí)數(shù)的增加而增高，對(duì)n倍壓的電路。則須耐nE2M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(lián)連接的。電容器按每隔一接點(diǎn)的方式接入。分布在整流管兩側(cè)，呈疊層形。由于每一測(cè)電容是疊層串聯(lián)，其結(jié)果也可以產(chǎn)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2E2M，而電容器的耐壓，除C1為E2M外，其余均為2E2M即可。從這個(gè)意義上講，它是圖7電路的一種改進(jìn)。3、應(yīng)用舉例（1）靜電噴漆高頻高壓發(fā)射器圖9是高頻高壓發(fā)生器的方框圖。它是用于金屬工件表面靜電噴漆的一種設(shè)備，還可以用于靜電吸塵、靜電植絨、靜電分離等場(chǎng)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，由振蕩器把直流電能再轉(zhuǎn)換成20千周左右的高頻電能，以便讓變壓器把電壓升高到1萬(wàn)伏左右，然后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(duì)高頻高壓發(fā)生器中的九倍壓整流部分感興趣，將它示

于圖10中。由圖可見，該九倍壓整流器的電路結(jié)構(gòu)形式與圖8電路是相似的。直流電壓可以從疊成串聯(lián)的電容器C】、C3、C5、C7和C9五個(gè)電容器兩端輸出。調(diào)節(jié)振蕩器的輸出電壓。輸出的直流高壓可在六萬(wàn)伏至十二萬(wàn)伏范圍內(nèi)變化。該設(shè)備可供六支噴槍同時(shí)使用。升壓變壓器的制作和數(shù)據(jù)：初級(jí)線圈用3股4）0.19絲包線密繞50圈，在有機(jī)玻璃框架上繞一層，次級(jí)線圈是用。0.21絲漆包線，分繞在一個(gè)有六格的有機(jī)玻璃框架上（亂繞），每格繞300圈，共計(jì)1800圈。分格繞制可以提高高壓線圈耐壓強(qiáng)度。格間繞組頭尾銜接的方法，可在每格的凸棱上開槽，將套接起來(lái)，這樣，可以滿足一定的絕緣要求。線圈繞成后，將截面積為14X14毫米的口字型鐵氧體磁芯插入框架。變壓器結(jié)構(gòu)如圖11所示。（振蕩器部分的制作可參閱其他有關(guān)資料）整流元件可用耐壓高的硅柱和硒柱。硅柱體積小，過(guò)載能力不及硒柱。一旦噴槍頭碰撞造成負(fù)載短路，硒柱能夠承受，硅柱則需要采取保護(hù)措施。鑒于這個(gè)原因，本例采用耐壓大于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(guī)格是容量為2000微微法、耐壓為20千伏。安裝注意點(diǎn)：①聯(lián)接時(shí)，整流元件的極性不要弄錯(cuò)；②整流元件和電容器之間安裝

14X14相距不宜過(guò)近，以免跳火；③整流器的全部元器件浸在變壓器油槽內(nèi)，如圖12所示，以提高耐壓強(qiáng)度。有機(jī)玻璃油槽（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。晶體三極管3AD30B組成的單管宣流變換器振蕩頻率為22千赫茲，次級(jí)高壓輸出有3.4千伏和1.1千伏兩個(gè)繞組，經(jīng)二極管D1-D5五倍壓整流和濾波后輸出10千伏加到示波器第四陽(yáng)極，作偏轉(zhuǎn)加速電壓。振蕩變壓器的鐵芯采用鐵氧體E17，繞組采取分層平繞的方式，內(nèi)層繞初級(jí)，外層繞次級(jí)。1?1千伏繞組采取雙根導(dǎo)線平行線法并繞在3.4千伏繞組的始端。該電路還帶有直流反饋?zhàn)詣?dòng)控制輸出幅度電路以解決高壓輸出的穩(wěn)定性問題。這部分內(nèi)容已超出本教程的范圍，故在圖13電路中沒有畫出。

-1000V至示波器陰極至示波管加速陽(yáng)極510p/10kV-1000V至示波器陰極至示波管加速陽(yáng)極510p/10kV圖13電路中振蕩管3AD30B是70年代產(chǎn)品，現(xiàn)在巳淘汰。如要仿制可選用物美價(jià)廉的3DD15，關(guān)于單管自激式直流變換電路的制作可參閱有關(guān)資料這里不再贅述。倍壓整流電路原理:（1） 負(fù)半周時(shí)，即A為負(fù)、B為正時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，電源經(jīng)D1向電容器C1充電，在理想情況下，此半周內(nèi)，D1可看成短路，同時(shí)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(shí)，即A為正、B為負(fù)時(shí)，D1截止、D2導(dǎo)通，電源經(jīng)C1、D1向C2充電，由于C1的Vm再加上倍壓器二次側(cè)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(shí)C2的電壓并無(wú)法在一個(gè)半周內(nèi)即充至2Vm，它必須在幾周后才可漸漸趨近于2Vm，為了方便說(shuō)明，底下電路說(shuō)明亦做如此假設(shè)。如果半波倍壓器被用于沒有變壓器的電源供應(yīng)器時(shí)，我們必須將C1串聯(lián)一電流限制電阻，以保護(hù)二極管不受電源剛開始充電涌流的損害。如果有一個(gè)負(fù)載并聯(lián)在倍壓器的輸出出的話，如一般所預(yù)期地，在（輸入處）負(fù)的半周內(nèi)電容器C2上的電壓會(huì)降低，然后在正的半周內(nèi)再被充電到2Vm如下圖所示。圖1直流半波整流電壓電路圖1直流半波整流電壓電路(a)負(fù)半周(b)正半周%電流圖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(guò)濾后的半波訊號(hào)，故此倍壓電路稱為半波電壓電路。正半周時(shí)，二極管D1所承受之最大的逆向電壓為2Vm，負(fù)半波時(shí)，二極管D2所承受最大逆向電壓值亦為2Vm，所以電路中應(yīng)選擇PIV2Vm的二極管。2、全波倍壓電路Di圖4全波整流電壓電路

（a）正半周（b）負(fù)半周圖5全波電壓的工作原理正半周時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，電容器C1充電到Vm,其電流路徑及電容C1的極性如上圖（a）所示。負(fù)半周時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，電容器C2充電到Vm，其電流路徑及電容C2的極性如上圖（b）所示。由于C1與C2串聯(lián)，故輸出直流電壓，V0=Vm。如果沒有自電路抽取負(fù)載電流的話，電容器C1及C2上的電壓是2Vm。如果自電路抽取負(fù)載電流的話，電容器C1及C2上的電壓是與由全波整流電路饋送的一個(gè)電容器上的電壓同樣的。不同之處是，實(shí)效電容為C1及C2的串聯(lián)電容，這比C1及C2單獨(dú)的都要小。這種較低的電容值將會(huì)使它的濾波作用不及單電容濾波電路的好。正半周時(shí)，二極管D2所受的最大逆向電壓為2Vm，負(fù)半周時(shí)，二極管D1所承受的最大逆向電壓為2Vm，所以電路中應(yīng)選擇PVI2Vm的二極管。圖6三倍壓電路圖

（a）負(fù)半周（b）正半周圖7三倍壓的工作原理負(fù)半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，D2截止，電容器C1及C3都充電到Vm,其電流路徑及電容器的極性如上圖（a）所示。正半周時(shí)，D1、D3截止，D2導(dǎo)通，電容器C2充電到2Vm，其電流路徑及電容器的極性如上圖（b