非穩(wěn)壓電源是最簡(jiǎn)單的電源結(jié)構(gòu)。

幾乎所有電子設(shè)備和電路都需要某種形式的直流電源來(lái)運(yùn)行，這些電源可以來(lái)自電池、太陽(yáng)能電池或連接到市電的非穩(wěn)壓電源。

雖然電池具有體積小、便攜且無(wú)紋波的優(yōu)勢(shì)，但它們需要頻繁更換（或充電），并且與傳統(tǒng)直流電源相比成本較高。

由于在我們的家庭、學(xué)校和工作場(chǎng)所中，我們有一個(gè)方便、可靠且經(jīng)濟(jì)的電源來(lái)源，因此使用家用交流電源為我們的電路供電是合理的。然而，市電交流電壓（通常為220-250 V有效值）遠(yuǎn)高于電池提供的較小直流電壓。將這種較高的交流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓的過(guò)程稱為整流。

整流是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程。在二極管教程中，我們看到二極管只在一個(gè)方向（從陽(yáng)極到陰極）導(dǎo)通電流，而在反向則不導(dǎo)通。二極管僅在一個(gè)方向切換電流的能力使其非常適合將雙向交流電轉(zhuǎn)換為恒定的直流電或直流電源，如圖所示。

二極管整流器

二極管整流器

我們可以看到，二極管的交流輸入是一個(gè)在正半周期和負(fù)半周期之間交替的正弦波，而二極管的輸出是整流后的直流電，其波形僅從正電壓到零伏，負(fù)半周期被阻斷。這種類型的輸出波形稱為“半波脈動(dòng)直流電”。

半波非穩(wěn)壓電源

電源的目的是在指定的電壓和電流水平下提供所需的電能，例如+9伏特，500毫安。任何電源的電氣特性將取決于所供電的電路，但通常所有非穩(wěn)壓電源都由一個(gè)變壓器組成，用于將市電交流電壓降至所需水平并提供電氣隔離，以及一個(gè)二極管整流器以提供不穩(wěn)定的輸出電壓。

考慮下面的半波非穩(wěn)壓電源電路。

半波非穩(wěn)壓電源

半波非穩(wěn)壓電源

市電輸入施加到主變壓器T1的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)繞組向整流二極管D1提供低壓交流電。產(chǎn)生的輸出波形包含一個(gè)直流電壓水平，該水平大約等于峰值電壓的1/π或0.318。

例如，如果正弦峰值電壓為10伏特，則等效直流輸出將為：0.318 x 10 = 3.18伏特。因此，為非穩(wěn)壓電源選擇合適的電壓變壓器非常重要。

正如我們上面所看到的，二極管的輸出波形是脈動(dòng)直流電。顯然，這種脈動(dòng)直流電壓不適合為大多數(shù)電子電路供電，因?yàn)榕c理想的直流電池電源相比，電源電壓變化較大且迅速，而且在負(fù)半周期期間50%的時(shí)間內(nèi)完全沒(méi)有電源電壓。

通常在整流交流電壓時(shí)，我們希望產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，就像我們從電池電源中獲得的那樣，并且沒(méi)有上述波形變化?？朔@個(gè)問(wèn)題的一種方法是在輸出端子上添加一個(gè)平滑電容器，有效地將其與負(fù)載并聯(lián)。

我們知道電容器具有在其板上存儲(chǔ)電荷的能力，我們可以利用這種能力來(lái)幫助平滑一些脈動(dòng)波形。電容器C1，通常稱為平滑電容器或儲(chǔ)能電容器，在正半周期期間通過(guò)正向偏置的二極管充電。電容器板上的電荷量取決于變壓器T1的正峰值輸出電壓和電容器的值，因?yàn)殡姾蒕等于V x C（電壓x電容）。

當(dāng)T1的輸出電壓開(kāi)始降至零時(shí)，充電的電容器現(xiàn)在接管向負(fù)載供電。在某個(gè)點(diǎn)，T1的輸出電壓越過(guò)零并提供負(fù)半周期，這使二極管反向偏置進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在這個(gè)半周期期間，電容器C1向負(fù)載提供所有電流，并以負(fù)載的時(shí)間常數(shù)確定的速率放電。

在下一個(gè)正半周期，變壓器T1再次接管控制，向負(fù)載供電，并繼續(xù)這樣做，直到T1的輸出電壓再次回到其正峰值。在此期間，C1再次充電，并在T1的電壓再次下降時(shí)向負(fù)載提供輸出電流，直到T1的下一個(gè)正峰值電壓，如圖所示。

半波整流器波形

半波整流器波形

由于電容器C1不能具有無(wú)限大的值，它不能提供完全平滑的直流輸出電源，在某些情況下，這可能表現(xiàn)為鋸齒波形。由于電容器無(wú)法保持穩(wěn)定輸出而導(dǎo)致的輸出波形變化稱為“紋波”，并且每個(gè)交流輸入周期都會(huì)產(chǎn)生紋波。換句話說(shuō)，對(duì)于半波整流電路，脈動(dòng)直流紋波頻率將等于輸入交流頻率。

輸出波形上的紋波量取決于負(fù)載的特性，但對(duì)于給定的電容器值，較大的負(fù)載電流（較小的負(fù)載電阻）會(huì)使電容器放電更多，從而增加輸出波形的紋波含量。

你可能會(huì)想，為什么不使用更大值的電容器來(lái)減少紋波含量，但使用大平滑電容器（通常是電解電容器）在成本、尺寸和增加其值超過(guò)某一點(diǎn)后不會(huì)顯著減少紋波方面存在限制。此外，使用大值平滑電容器可能需要通過(guò)二極管橋提供非常大的充電電流。然而，通過(guò)在輸出端子上并聯(lián)添加更多不同值的電容器，可以改善非穩(wěn)壓電源提供的輸出電壓中的紋波含量。

全波非穩(wěn)壓電源

我們已經(jīng)看到，半波非穩(wěn)壓電源的輸出電壓很難濾波到平滑的直流水平，因?yàn)檩敵鲭妷汉碗娏鲀H在每個(gè)輸入周期的一半時(shí)間內(nèi)施加到負(fù)載上。此外，半波非穩(wěn)壓電源的另一個(gè)缺點(diǎn)是變壓器提供的電容器充電脈沖之間的相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間，需要使用相對(duì)較大的電解型平滑電容器。

然而，如果我們?cè)陔娐分刑砑拥诙€(gè)整流二極管，使得輸入的每個(gè)半周期，而不是每隔一個(gè)半周期，都對(duì)整流輸出波形有貢獻(xiàn)，紋波含量將大大減少，這可以通過(guò)使用全波非穩(wěn)壓電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

全波非穩(wěn)壓電源與其半波版本的不同之處在于使用了一個(gè)帶有中心抽頭次級(jí)繞組和兩個(gè)整流二極管的主變壓器，如圖所示。

全波非穩(wěn)壓電源

全波非穩(wěn)壓電源

我們可以看到，次級(jí)繞組的兩半有效地饋送到上述類型的單獨(dú)半波整流電路，兩個(gè)輸出結(jié)合在一起并由公共平滑電容器C1平滑。

兩個(gè)二極管D1和D2以推挽式布置工作，因?yàn)樽儔浩鞔渭?jí)接地（0V）以在上半和下半次級(jí)繞組之間創(chuàng)建180度的相位差。然后上半部分提供正電壓，下半部分提供負(fù)電壓。

當(dāng)交流輸入波形為正時(shí)，T1次級(jí)上半部分產(chǎn)生正電壓，正向偏置二極管D1，使其“開(kāi)啟”，而T1次級(jí)下半部分產(chǎn)生的相應(yīng)負(fù)電壓反向偏置二極管D2，使其“關(guān)閉”。然后電流僅通過(guò)二極管D1供應(yīng)到負(fù)載。

當(dāng)交流輸入波形變?yōu)樨?fù)時(shí)，T1次級(jí)上半部分產(chǎn)生負(fù)電壓，使二極管D1“關(guān)閉”，而T1次級(jí)下半部分產(chǎn)生正電壓，正向偏置并使二極管D2“開(kāi)啟”。然后電流僅通過(guò)二極管D2供應(yīng)到負(fù)載。

然后兩個(gè)二極管和中心抽頭變壓器將次級(jí)繞組上產(chǎn)生的雙向交流電流交替切換到負(fù)載。產(chǎn)生的輸出波形包含一個(gè)直流電壓水平，該水平大約等于峰值電壓的2/π或0.636。

例如，如果正弦峰值電壓為10伏特，則等效直流輸出將為：0.636 x 10 = 6.36伏特，是半波整流器的兩倍，如圖所示。

全波整流器波形

全波整流器波形

這種全波非穩(wěn)壓電源電路的優(yōu)點(diǎn)是它需要的平滑電容器值約為半波電路所需的一半，因?yàn)樗谌娐分谐潆婎l率是半波電路的兩倍，因此對(duì)于給定的負(fù)載電流，放電量較小。

此外，由于每個(gè)輸入周期有兩個(gè)半周期出現(xiàn)在平滑電容器上，紋波含量將較低，紋波頻率將是輸入頻率的兩倍。例如，如果正弦輸入頻率為50Hz，則紋波頻率將為100Hz。因此，這種較高的紋波頻率更容易平滑任何波動(dòng)。

非穩(wěn)壓電源總結(jié)

非穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)之一是其輸出電壓受市電電壓變化和負(fù)載電流變化的顯著影響。隨著負(fù)載消耗更多電流，直流端電壓下降。

此外，半波非穩(wěn)壓電源產(chǎn)生的輸出波形具有大約0.318 x Vpeak的直流水平以及類似于鋸齒波形的大交流變化。這種輸出波形通常稱為脈動(dòng)直流電壓。

為了去除一些交流成分，使用平滑電容器允許直流成分通過(guò)并將交流減少到小紋波。半波整流器產(chǎn)生的紋波頻率與輸入頻率相同。

增加直流輸出電壓、減少波形紋波含量和提高效率的一種方法是使用全波整流器，它由兩個(gè)二極管和一個(gè)中心抽頭變壓器組成，以在次級(jí)繞組的每一半上生成兩個(gè)相等且相反的波形。全波非穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)是對(duì)于給定的輸出功率，它需要更大的變壓器。

半波非穩(wěn)壓電源是將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電的廉價(jià)且簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。我們已經(jīng)看到，平滑電容器可以用于將整流器的脈動(dòng)直流電（無(wú)論是半波還是全波）轉(zhuǎn)換為相當(dāng)平滑且無(wú)紋波的直流電源，以為電子電路供電或?yàn)殡姵爻潆姟?/p>