整流杂谈(七)

maychang

整流杂谈(七) [复制链接]

 

　　我曾经在电源版面发过《整流杂谈》系列帖，迄今已经发过六帖，主要是谈整流电路电流的峰值、平均值和有效值。
　　虽然倍压整流电路在教材中讲过，在本坛讨论倍压整流的帖子也有相当多的篇数，可是每年都有网友对倍压整流电路提出问题。所以本帖准备讨论讨论倍压整流的细节。
　　图(01)是半波整流电容输入滤波电路。

            图(01)
　　从图(01)变化出来的一种二倍压整流电路如图(02)。图中未画出交流电源。我们假定两个电容C1和C2容量相等。

            图(02)
　　绝大多数电路，分析时必须确定其初始状态，即时刻为零时电路中各点电压电流等等。图(02)电路，我们假定上电之前(即左边未施加交流电压时)C1和C2两端电压均为零，当然电流也均为零。
　　我们对左边输入的交流电压半个周期半个周期地进行分析。

            图(03)
　　从时刻零开始，左边施加交流电压，上正下负，峰值为Vp，如图(03)，图中红色箭头表示这个“半周期”内电流方向(注意电流不是半个周期内持续的，半个周期结束时电流为零，下同)。忽略二极管压降，第一个“半周期”结束时，电容C1通过二极管充电到两端电压为Vp，左正右负。二极管D2截止，电容C2两端电压仍然为零。

            图(04)
　　第二个“半周期”，左边交流电压反向，上负下正，二极管D1截止，电流方向如图(04)。左边交流电压和C1两端电压叠加，通过二极管D2对电容C2充电。第二个“半周期”结束时，因为电容C1和C2容量相等，电容C1在第一个“半周期”所储存的电量会消耗一半用于对C2充电，而电容C2被充电到两端电压为1.5Vp，上负下正。

            图(05)
　　第三个“半周期”，左边电压又成为上正下负，。左边电压经二极管D1对电容C1充电，C1两端电压被充到Vp，左正右负，电流方向如图(05)。二极管D2截止，电容C2两端电压保持不变，仍为1.5Vp。

            图(06)
　　第四个“半周期”，左边交流电压上负下正，二极管D1截止。左边交流电压和C1两端电压叠加，通过二极管D2对电容C2充电，电流方向如图(06)。第二个“半周期”结束时，因为电容C1和C2容量相等，电容C1在第一个“半周期”所储存的电量会消耗四分之一用于对C2充电，而电容C2被充电到两端电压为1.75Vp，上负下正。

            图(07)
　　第五个“半周期”，左边交流电压又经二极管D1对电容C1充电，电流方向如图(07)。电容C1被充电到交流电压峰值Vp。

            图(08)
　　第六个“半周期”，仍然是左边交流电压与C1两端电压叠加，经二极管D2对电容C2充电，电流方向如图(08)。电容C2被充电到两端电压为1.875Vp。

            图(09)
　　第七个“半周期”，如图(09)，左边交流电压又经二极管D1对电容C1充电，电流方向如图(09)。电容C1被充电到交流电压峰值Vp。
　　第八个“半周期”，显然C1两端电压Vp与左边交流电压叠加，通过二极管D2为电容C2充电，使C2两端电压进一步升高。由于每次D1导通时总是将电容C1充电到交流电压峰值Vp，交流电压负半周期电压与C1两端电压叠加，最大为2Vp，所以经过若干个交流周期后，C2两端电压最终将升高到2Vp。
　　图(02)二倍压电路，右边输出端与交流输入的公共端是输出负端。若要输出对公共端为正的电压，只要将两个二极管方向反过来即可。如图(10)。

            图(10)
　　上面分析，均假定输出开路，即空载。只有输出空载时，C2两端电压才可能升高到2Vp。如果负载不是开路，那么在整个交流周期里面，图(09)中电容C2都要对负载放电，这将使C2两端平均电压降低，也就是说，C2不能输出2Vp那么高电压。而且，负载越重(负载电流大)，这种二倍压整流电路输出电压越低。实际上，无论哪种倍压整流电路，带载能力都不很强，只能在电流较小情况下使用。
　　由此我们还可以知道：图(09)或者图(10)所示二倍压整流电路一般不怕输出短路。从图(03)到图(09)我们知道：每个交流周期内电容C1充电电量不会超过C1*Vp，因此即使输出端短路，短路电流也不会超过C1*Vp/T，其中T为交流电的周期。只要二极管能够承受这个电流，即使输出短路，倍压整流电路也会自动限流。

            图(11)
　　由上面对图(02)二倍压整流电路的分析，我们不难构造出三倍压、四倍压整流电路来，如图(11)。如果每支二极管和电容算是一“节”，这样的“节”向右接连伸展，可以构成更高倍压的整流电路。
　　图(11)这个电路中D1、C1、D2、C2与图(10)完全相同。由前面分析可知：C1两端电压在负载开路时可达Vp，C2两端电压在负载开路时可达2Vp。依照前面同样的分析方法，我们可以知道：图(11)中电容C3两端电压在负载开路时可达2Vp，电容C4两端电压在负载开路时可达2Vp。所以，电容C1与C3两端(图中C1左端与C3右端)之间负载开路时电压为3Vp，而电容C2与C4两端(图中C2左端与C4右端)之间负载开路时电压为4Vp。不过，倍压整流倍数越大，带载能力越差，就是说，输出电流稍大输出电压即下降很多。

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PowerAnts

看到1.5->1.75->1.875…… 我想后面的小朋友就更辛苦了，为什么不能是1.6->1.8->1.9->1.95->……
搭人梯抗东西，18 6 2 1最公平，8 4 2 1拍脑袋，4 3 2 1最经济，2 2 2 2或 4 4 4 4肯定最笨
没做过倍压，上述数列不一定好，有空了研究一下

PowerAnts

首先确定串联电容中电位最高的一颗电容C4的容量：设为50Hz倍压整流，负载阻抗100K，C4承担50K的负载，取半波整流时间常数为5个周期，则C4=5*0.02/50000=2 (uF)。

C4, C3, C2, C1 的容量需从右到左逐级加大，以便在适合的压差条件下，逐级提高电荷搬运量，与古代军队送粮脚夫的经验有异曲同工之妙。离源端越近的输送量越大，如此构思能才能保证送得最远

maychang

PowerAnts 发表于 2020-4-11 08:19 看到1.5->1.75->1.875…… 我想后面的小朋友就更辛苦了，为什么不能是1.6->1.8->1.9->1.95->…… 搭人梯抗 ...

1.5、1.75、1.875这个序列，是根据C1和C2两个电容容量相等，负载开路，每次交流正半周期交流电源对C1充电到Vp，负半周期两个电容电荷平衡，计算出来的。

考虑到多数新进网友不大喜欢看计算公式，甚至连欧姆定律那么简单的式子都不愿意看，所以我没有把计算过程列出来。

至于你说电容量从右到左逐渐加大，那个计算更麻烦。讲最基本原理时最好避免，深入讨论时则应该设想各电容器电容量不等有什么好处。

PowerAnts

maychang 发表于 2020-4-11 17:20 1.5、1.75、1.875这个序列，是根据C1和C2两个电容容量相等，负载开路，每次交流正半周期交流电源对C1充电 ...

不错，这个电压序列是等容倍压的，我提出起步更高的倍率序列，是考虑容量最好是与位置梯度呈负相关性。这样做有利于在梯度较高的要求和0总容量相等的情况下提高输出电压和带载能力。

PowerAnts

5楼多打了一个0

zhaoyanhao

老师，看到1.5,1.75，1.875真的懵了，计算过程复杂么

maychang

zhaoyanhao 发表于 2020-4-14 15:11 老师，看到1.5,1.75，1.875真的懵了，计算过程复杂么

不是很复杂，仅用到初等代数知识。

其实在4楼我已经说了：1.5、1.75、1.875这个序列，是根据C1和C2两个电容容量相等，负载开路，每次交流正半周期交流电源对C1充电到Vp，负半周期两个电容电荷平衡，计算出来的。

maychang

zhaoyanhao 发表于 2020-4-14 15:11 老师，看到1.5,1.75，1.875真的懵了，计算过程复杂么

这里只说说1.5Vp是怎么来的。

第一个“半周期”结束，电容C1充电到两端电压为Vp，电容C2两端电压为零。第二个“半周期”，从图(04)看出：电容C1与C2串联，且C1与C2相等。电源电压Vp与C1两端电压Vp叠加，为2Vp，对C2充电。在充电过程中C1上电荷减少。最终C1电荷从C1*Vp减少到0.5C1*Vp，而C2电荷从0增加到1.5C2*Vp，其中0.5C2*Vp是从C1转移过来，1C2*Vp是电源对C2充电而来。

zhaoyanhao

maychang 发表于 2020-4-14 17:11 这里只说说1.5Vp是怎么来的。 第一个“半周期”结束，电容C1充电到两端电压为Vp，电容C2两 ...

谢谢老师

zhaoyanhao

maychang 发表于 2020-4-14 17:11 这里只说说1.5Vp是怎么来的。 第一个“半周期”结束，电容C1充电到两端电压为Vp，电容C2两 ...

“1C2*Vp是电源对C2充电而来”，我知道，其实我不明白的是为什么C1给C2充了0.5Vp的电，以及以后周期里C1给C2充的那些四分之一、八分之一

maychang

zhaoyanhao 发表于 2020-4-15 09:46 “1C2*Vp是电源对C2充电而来”，我知道，其实我不明白的是为什么C1给C2充了0.5Vp的电，以及以 ...

C1两端电压在这个“半周期”开始时为Vp，叠加加上电源电压。电源电压加上C1的电压对C2从零开始充电，同时C1放电。C1放电到0.5Vp，加上电源电压Vp，C2充电到1.5Vp。

他们逼我做卧底

谢谢老师分享~小白一个，跟着老师学习！

lqsgg

不错的文章！谢谢分享！学习学习！

yhhhy

maychang 发表于 2020-4-11 17:20 1.5、1.75、1.875这个序列，是根据C1和C2两个电容容量相等，负载开路，每次交流正半周期交流电源对C1充电 ...

老师，可以给出在负半周期，计算两电容电荷的平衡公式吗

maychang

yhhhy 发表于 2023-5-28 14:59 老师，可以给出在负半周期，计算两电容电荷的平衡公式吗

你指的是图(02)至图(09)各电路么？每个负半周期电容C2充电达到的电压都列出来了呀。