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，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（1）桥式二倍压整流电路图1所示电路是桥式倍压整流电路，图1的(1)和(2)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D1、D2在交流电的两个半周分别进行半波整流。各自对电容C1和C2充电。由负载RL与C1、C2回路看，两个电容是接成串联的。负载RL上的直流电能是由C1、C2共同供给的。当e2正半周时，D1导通，如果负载电阻RL很大，即流过RL的电流很小的话，整流电流iD1使C1充电到2E2的电压，并基本保持不变，极向如图中所示。同样，当e2负半周时，经D2对C2也充上2E2的电压，极向如图中所示。跨接在两个串联电容两端的负载RL上的电压UL=UC1+UC2，接近于e2幅值的两倍。所以称这种电路为二倍压整流电路。实际上，在正半周C1被充电到幅值2E2后，D1随即截止，C1将经过RL对C2放电，UC1将有所降低。在负半周，当C2被充电到幅值2E2后，D2截止，C2的放电回路是由C1至RL，UC2也应有所降低。这样，UC1和UC2的平均值都应略低于2E2，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，UL≈2E2。UC1、UC2及UL的变化规律如图2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22E2，电容器C1、C2上承受的电压为2E2，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，交流输入和直流输出有一公共端点。当交流电压e2在正半周时，D1导通，C1通过D1被充电到e2的峰值2E2，极向如图4中所示。在交流电压e2为负半周时，D1因受反向电压而截止，D2则受正向电压而导通。在D2导通期间，电容C1上的电压E2M=2E2因维持不变，其作用类似于一个直流电源。它与交流电源相串联，所以，C1上的电压UC1与电源电压e2相加，经D2向C2充电，充电电压是e2+UC1。在C2因充电而获得电荷时，C1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C1转移到上C2的电荷将减少到零。于是UC1保持了最大的电压E2M=2E2，在此后的负半周期中，C2上充电的电压UC2达到最大值，即2E2M。如图3所示，负载是与C2并联的，所以负载上的电压就是2E2M。当D2截止后，C2继续通过RL放电，输出的直流电压UC2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UC2在一个周期内起伏的平均值，是低于的2E2M。RL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C2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，C1和C2承受的直流电压都是E2M（即2E2），而这里C2承受的直流电压是2E2M。在两种电路中，每一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）三倍压整流电路图5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一节半波整流电路构成的。该电路的整流管D1、D2和电容器C1、C2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3所示电路是完全一样的。在三倍压电路中。整流管D3是在交流电源正半周时导通的。D3导通时，电容器C2与电源串联，通过D3对C3充电。因此，C3将被充电到3E2M。当负载接在C3两端时，负载上所获得的直流电压UL将接近于电源变压器次级交流电压幅值的三倍。图6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5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C3不是像图5那样直接接地，而是通过电容器C1接地的。因此，在D3导通时是由电容器C2、交流电源和电容器C3三者串联通过D3对C3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。当交流电源为正的E2M时，恰好与C1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，C3上最大可能的充电电压与C2一样，都是2E2M。如果负载跨接在电容器C1和C3两端，那么负载上的直流电压应为：UL≈UC1+UC2=E2M+2E2M=3E2M。在图5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压的二倍，电容器承受的最大直流电压：C1都是E2M，C2都是2E2M，只是C3所承受的电压不一样。在图5中C3的耐压应为3E2M，而在图6中则为2E2M。这两种电路的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n个整流元件和n个电容器组成的n倍压整流电路。图7为七倍压整流电路，它是图5电路的推广。C7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n倍压的电路。则须耐nE2M的电压。图8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n倍电压。图8所要求整流器的耐压与图7要求相同，都是2E2M，而电容器的耐压，除C1为E2M外，其余均为2E2M即可。从这个意义上讲，它是图7电路的一种改进。3、应用举例（1）静电喷漆高频高压发射器图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20千周左右的高频电能，以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。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10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。直流电压可以从叠成串联的电容器C1、C3、C5、C7和C9五个电容器两端输出。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使用。升压变压器的制作和数据：初级线圈用3股φ0.19丝包线密绕50圈，在有机玻璃框架上绕一层，次级线圈是用φ0.21丝漆包线，分绕在一个有六格的有机玻璃框架上（乱绕），每格绕300圈，共计1800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。变压器结构如图11所示。（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20千伏、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2000微微法、耐压为20千伏。安装注意点：①联接时，整流元件的极性不要弄错；②整流元件和电容器之间安装相距不宜过近，以免跳火；③整流器的全部元器件浸在变压器油槽内，如图12所示，以提高耐压强度。（2）SBM10多用示波器高频高压电路图13所示为SBM10多用示波器高频高压电路。晶体三极管3AD30B组成的单管直流变换器振荡频率为22千赫兹，次级高压输出有3.4千伏和1.1千伏两个绕组，经二极管D1—D5五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。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，外层绕次级。1.1千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。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13电路中没有画出。电路中振荡管3AD30B是70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。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PIV2Vm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上的电压是2Vm。如果自电路抽取负载电流的话，电容器C1及C2上的电压是与由全波整流电路馈送的一个电容器上的电压同样的。不同之处是，实效电容为C1及C2的串联电容，这比C1及C2单独的都要小。这种较低的电容值将会使它的滤波作用不及单电容滤波电路的好。正半周时，二极管D2所受的最大逆向电压为2Vm，负半周时，二极管D1所承受的最大逆向电压为2Vm，所以电路中应选择PVI2Vm的二极管。图6三倍压电路图（a）负半周（b）正半周图7三倍压的工作原理负半周时，D1、D3导通，D2截止，电容器C1及C3都充电到Vm，其电流路径及电容器的极性如上图（a）所示。正半周时，D1、D3截止，D2导通，电容器C2充电到2Vm，其电流路径及电容器的极性如上图（b）所示。由于C2与C3串联。故输出直流电压V0=3m。正半周时，D1及D3所承受的最大逆向电压为2Vm，负半周时，二极管D2所承受的最大逆向电压为2Vm，所以电路中应选择PIV2Vm的二极管。4、N倍电压路下图中的半波倍压电路的推广形式，它能产生输入峰值的的三倍或四倍的电压。根据线路接法的发式可看出，如果在接上额外的二极管与电容器将使输出电压变成基本峰值（Vm）的五、六、七、甚至更多倍。（即N倍）。N倍压