常見(jiàn)的幾種二極管整流電路解析，可控硅整流電路波形分析

　　常見(jiàn)的幾種二極管整流電路解析：

　　二極管半波整流電路實(shí)際上利用了二極管的單向?qū)щ娞匦浴?/p>本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201710/365327.htm

　　當(dāng)輸入電壓處于交流電壓的正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出電壓vo=vi-vd。當(dāng)輸入電壓處于交流電壓的負(fù)半周時(shí)，二極管截止，輸出電壓vo=0。半波整流電路輸入和輸出電壓的波形如圖所示。

　　對(duì)于使用直流電源的電動(dòng)機(jī)等功率型的電氣設(shè)備，半波整流輸出的脈動(dòng)電壓就足夠了。但對(duì)于電子電路，這種電壓則不能直接作為半導(dǎo)體器件的電源，還必須經(jīng)過(guò)平滑（濾波）處理。平滑處理電路實(shí)際上就是在半波整流的輸出端接一個(gè)電容，在交流電壓正半周時(shí)，交流電源在通過(guò)二極管向負(fù)載提供電源的同時(shí)對(duì)電容充電，在交流電壓負(fù)半周時(shí)，電容通過(guò)負(fù)載電阻放電。

　　通過(guò)上述分析可以得到半波整流電路的基本特點(diǎn)如下：

　?。?）半波整流輸出的是一個(gè)直流脈動(dòng)電壓。

　?。?）半波整流電路的交流利用率為50%。

　?。?）電容輸出半波整流電路中，二極管承擔(dān)最大反向電壓為2倍交流峰值電壓（電容輸出時(shí)電壓疊加）。

　?。?）實(shí)際電路中，半波整流電路二極管和電容的選擇必須滿足負(fù)載對(duì)電流的要求。

　　全波整流

　　當(dāng)輸入電壓處于交流電壓的正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，輸出電壓Vo=vi-VD1。當(dāng)輸入電壓處于交流電壓的負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，輸出電壓Vo=vi-VD2。

　　由上述分析可知，二極管全波整流電路輸出的仍然是一個(gè)方向不變的脈動(dòng)電壓，但脈動(dòng)頻率是半波整流的一倍。

　　晶體二極管組成的各種整流電路。

　　一、半波整流電路

　　下面從圖5-2的波形圖上看著二極管是怎樣整流的。　　圖5-1、是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D 和負(fù)載電阻Rfz ，組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2，D 再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。

　　變壓器砍級(jí)電壓e2，是一個(gè)方向和大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5-2（a）所示。在0~K時(shí)間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。此時(shí)二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過(guò)它加在負(fù)載電阻Rfz上，在π~2π 時(shí)間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級(jí)下端為正，上端為負(fù)。這時(shí)D承受反向電壓，不導(dǎo)通，Rfz，上無(wú)電壓。在π~2π時(shí)間內(nèi)，重復(fù)0~π 時(shí)間的過(guò)程，而在3π~4π時(shí)間內(nèi)，又重復(fù)π~2π時(shí)間的過(guò)程…這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被“削”掉了，只有正半周通過(guò)Rfz，在Rfz上獲得了一個(gè)單一右向（上正下負(fù)）的電壓，如圖5-2（b）所示，達(dá)到了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc。以及負(fù)載電流的大小還隨時(shí)間而變化，因此，通常稱(chēng)它為脈動(dòng)直流。

　　這種除去半周、圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整說(shuō)是以“犧牲”一半交流為代價(jià)而換取整流效果的，電流利用率很低（計(jì)算表明，整流得出的半波電壓在整個(gè)周期內(nèi)的平均值，即負(fù)載上的直流電壓Usc =0.45e2 ）因此常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般無(wú)線電裝置中很少采用。

　　二極管整流電路電路賞析

　　全波整流電路

　　如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。圖5-3 是全波整流電路的電原理圖。

　　全波整流電路，可以看作是由兩個(gè)半波整流電路組合成的。變壓器次級(jí)線圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次組線圈分成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓e2a 、e2b ，構(gòu)成e2a 、D1、Rfz與e2b 、D2、Rfz ，兩個(gè)通電回路。

　　全波整流電路的工作原理，可用圖5-4 所示的波形圖說(shuō)明。在0~π間內(nèi)，e2a 對(duì)Dl為正向電壓，D1導(dǎo)通，在Rfz 上得到上正下負(fù)的電壓;e2b 對(duì)D2為反向電壓，D2 不導(dǎo)通（見(jiàn)圖5-4（b）。在π-2π時(shí)間內(nèi)，e2b 對(duì)D2為正向電壓，D2導(dǎo)通，在Rfz 上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓;e2a 對(duì)D1為反向電壓，D1 不導(dǎo)通（見(jiàn)圖5-4（C）。

　　如此反復(fù)，由于兩個(gè)整流元件D1、D2輪流導(dǎo)電，結(jié)果負(fù)載電阻Rfz 上在正、負(fù)兩個(gè)半周作用期間，都有同一方向的電流通過(guò)，如圖5-4（b）所示的那樣，因此稱(chēng)為全波整流，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率（Usc=0.9e2，比半波整流時(shí)大一倍）。

　　圖5-3所示的全波整濾電路，需要變壓器有一個(gè)使兩端對(duì)稱(chēng)的次級(jí)中心抽頭，這給制作上帶來(lái)很多的麻煩。另外，這種電路中，每只整流二極管承受的最大反向電壓，是變壓器次級(jí)電壓最大值的兩倍，因此需用能承受較高電壓的二極管。

　　圖5-5（a ）為橋式整流電路圖，（b）圖為其簡(jiǎn)化畫(huà)法。

　　橋式整流電路

　　橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。

　　橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通;對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通;對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。

　　上述工作狀態(tài)分別如圖5-6（A） （B）所示。

　　如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖5-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整洗電路小一半！

　　整流元件的選擇和運(yùn)用

　　需要特別指出的是，二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負(fù)載大小加以選擇。。如選擇不當(dāng)，則或者不能安全工作，甚至燒了管子;或者大材小用，造成浪費(fèi)。表5-1 所列參數(shù)可供選擇二極管時(shí)參考。

　　“另外，在高電壓或大電流的情況下，如果手頭沒(méi)有承受高電壓或整定大電濾的整流元件，可以把二極管串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)使用。

　　圖5-7 示出了二極管并聯(lián)的情況：兩只二極管并聯(lián)、每只分擔(dān)電路總電流的一半口三只二極管并聯(lián)，每只分擔(dān)電路總電流的三分之一。總之，有幾只二極管并聯(lián)，”流經(jīng)每只二極管的電流就等于總電流的幾分之一。但是，在實(shí)際并聯(lián)運(yùn)用時(shí)“，由于各二極管特性不完全一致，不能均分所通過(guò)的電流，會(huì)使有的管子困負(fù)擔(dān)過(guò)重而燒毀。因此需在每只二極管上串聯(lián)一只阻值相同的小電阻器，使各并聯(lián)二極管流過(guò)的電流接近一致。這種均流電阻R一般選用零點(diǎn)幾歐至幾十歐的電阻器。電流越大，R應(yīng)選得越小。

　　圖5-8示出了二極管串聯(lián)的情況。顯然在理想條件下，有幾只管子串聯(lián)，每只管子承受的反向電壓就應(yīng)等于總電壓的幾分之一。但因?yàn)槊恐欢O管的反向電阻不盡相同，會(huì)造成電壓分配不均：內(nèi)阻大的二極管，有可能由于電壓過(guò)高而被擊穿，并由此引起連鎖反應(yīng)，逐個(gè)把二極管擊穿。在二極管上并聯(lián)的電阻R，可以使電壓分配均勻。均壓電阻要取阻值比二極管反向電阻值小的電阻器，各個(gè)電阻器的阻值要相等?！　∠螂娮柚敌〉碾娮杵?，各個(gè)電阻器的阻值要相等。

　　可控硅整流電路波形原理分析：

　　某一電壓（或電流）的有效值與其平均值之比，我們稱(chēng)之為波形系數(shù)。在可控硅整流電路中波形系數(shù)是個(gè)值得注意的問(wèn)題。為說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們先按圖1所示的可控硅半波整流電路做個(gè)實(shí)驗(yàn)，各元件的型號(hào)和參數(shù)僅供參考。

　　先將R值調(diào)至最大，接通電源，此時(shí)直流電壓表指示為零，燈泡不亮。然后慢慢減小R值，電壓表讀數(shù)逐漸增大，燈泡逐漸增亮。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)直流電壓表指示為10伏時(shí)，燈泡便達(dá)到正常亮度了，這就是說(shuō)燈泡的功耗已達(dá)額定功率了，若再繼續(xù)增高電壓，燈泡就可能燒毀。為什么電壓表的讀數(shù)還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到燈泡的額定電壓36伏，而燈泡的功耗卻已達(dá)到額定功率了呢？

　　燈光中流過(guò)的電流是單向脈動(dòng)電流，燈泡兩端的電壓為單向脈動(dòng)電壓，其波形如圖2中實(shí)線所示。直流電壓表的讀數(shù)是這種脈動(dòng)電壓的平均值，而刁；是它的有效值。其有效值卻要比平均值大得多。

　　根據(jù)電工學(xué)知識(shí)，這種周期性的單向脈動(dòng)電壓的有效值U。乃是瞬時(shí)值的平方在一個(gè)周期內(nèi)平均值的算術(shù)平方根（均方根值），即

　　將不同的Q值代入式（3），就得到相應(yīng)的K值，如表一所示。由表一可以看出，當(dāng)可控硅的移相角由零變到n時(shí)，波形系數(shù)K值逐漸增大，而且增大的速度越來(lái)越快，當(dāng)。接近，I時(shí)，K值將急聚增加（而U和Uo都急聚下降。）

　　現(xiàn)在再來(lái)看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。據(jù)式（2）可算出，當(dāng)直流電壓表指示10伏即U。=10伏時(shí)，CO$n=-0．7979，波形系數(shù)K~3．57， Uo~35．7伏。Uo己相當(dāng)接近燈泡的額定電壓了，所以燈泡達(dá)到正常亮度。

　　根據(jù)同樣的道理可算出， 當(dāng)G相同時(shí)，在電阻性負(fù)載的全波可控整流電路中，輸出脈動(dòng)電壓（波形見(jiàn)圖3中的實(shí)線）系數(shù)的1／／2倍。在上述計(jì)算中，均忽略了可控硅導(dǎo)通時(shí)的正向壓降。對(duì)其他形式的整流電路以及負(fù)載呈電感性時(shí)輸出電壓的波形系數(shù)，本文不再贅述。

　　由上面的分析可知，在用可控硅進(jìn)一行整流時(shí)，直流電壓表（或電流表）上L的讀數(shù)是輸出電壓（或電流）的平均1K值，不能將讀數(shù)直接代入公式卜U2 L來(lái)計(jì)算負(fù)載上的功耗，這是因?yàn)槭街蠻為負(fù)載R，上的電壓有效值，即U=Uo。

　　如欲減小波形系數(shù)，使輸出出電壓有效值接近于平均值，有三條措施可取：

　　（1） 盡量減小可控硅的移相角，如Q：o時(shí)，則K=I．57（單相半波）： （2）當(dāng)負(fù)載額定電壓比輸入交流電壓的有效值低得多時(shí)，先用變壓器降壓再進(jìn)行整流； （3）盡量采用單向可控整流或三相可控整流電路。如忽視波形系數(shù)的影響，盡管電壓表的讀數(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到負(fù)載的額定電壓，但仍有可能燒毀電器，以致造成不應(yīng)有的損失。這是必須注意的。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，為方便起見(jiàn)，我們可根據(jù)表二來(lái)估算不同的輸出直流電壓時(shí)的波形系數(shù)，從而估算出輸出電壓的有效值。表二中的n為直流電壓表的讀數(shù)U。與輸入交流電壓有效值U的比。即 23 （3），便可得到相應(yīng)的波形系數(shù)K。例如在圖1所示的電路中，當(dāng)直流電壓表指示為 50伏時(shí)，n=50／220~0．23，根據(jù)表二可估算出此時(shí)波形系數(shù)K在2．32和1．98之間。

　　對(duì)于全波可控整流電路來(lái)說(shuō)，

　　根據(jù)同樣的道理，可得出全波可控整流電路中，對(duì)應(yīng)于不同n值（可控硅全導(dǎo)通時(shí)n取得最大值0．9）時(shí)的波形系數(shù)K