全橋整流器簡(jiǎn)介

全波橋式整流器將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電源電壓。了解此重要電路的操作。

當(dāng)科學(xué)家和工程師第一次制定分配電力的計(jì)劃時(shí)，他們沒(méi)有切實(shí)可行的系統(tǒng)來(lái)增加或降低直流輸電電壓。相比之下，交流傳輸電壓很容易通過(guò)變壓器升高或降低。因此，交流電成為世界范圍內(nèi)的電力傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

交流電壓完全適合燈泡和電機(jī)，這兩種類(lèi)型的負(fù)載在電力早期是主要關(guān)注的問(wèn)題。我懷疑，喬治·威斯汀豪斯，也許是歷史上最有影響力的交流配電支持者，永遠(yuǎn)無(wú)法想象交流電壓會(huì)給數(shù)字電子時(shí)代的工程師帶來(lái)多大的不便。

我們?nèi)匀恍枰獰襞莺碗姍C(jī)，但我們的生活中也充滿了需要穩(wěn)定直流電源電壓的設(shè)備。同時(shí)，盡管引入了高壓直流（HVDC）電力系統(tǒng)，但交流輸電仍然占主導(dǎo)地位。因此，交流到直流的轉(zhuǎn)換——也稱為整流——是電氣工程的一項(xiàng)基本任務(wù)。

從廣義上講，執(zhí)行整流的電路是電氣工程的基本組件。在本文中，我們將討論這些組件中最廣泛使用的：全波橋式整流器，也稱為全橋整流器或簡(jiǎn)稱橋式整流器。為了理解是什么讓這個(gè)電路如此有用，我們首先需要了解整流——全波和半波——是如何工作的。

二極管半波整流

整流一詞源自拉丁語(yǔ)，意思是“整流”。因此，整流電路將電流向兩個(gè)方向移動(dòng)，并將其“整流”，使其僅向一個(gè)方向移動(dòng)。二極管的定義特征是，它允許電流在一個(gè)方向（陽(yáng)極到陰極）上相當(dāng)自由地流動(dòng)，并強(qiáng)烈反對(duì)電流在另一個(gè)方向上流動(dòng)（陰極到陽(yáng)極），所以聽(tīng)到所有半導(dǎo)體二極管都屬于整流器的大類(lèi)，也許并不奇怪。

整流交流電壓只需要一個(gè)二極管，如圖1所示。請(qǐng)注意，圖右側(cè)的電阻器代表負(fù)載電路。

LTspice實(shí)現(xiàn)了單二極管整流電路。

圖1。單二極管整流電路。圖片由Robert Keim提供

當(dāng)整流器電路的輸入電壓為正時(shí)，電流流過(guò)二極管，并在負(fù)載電阻器上產(chǎn)生電壓。當(dāng)輸入電壓為負(fù)，需要電流沿相反方向流動(dòng)時(shí)，二極管的功能就像開(kāi)路——因?yàn)闆](méi)有電流流過(guò)電阻器，所以不會(huì)產(chǎn)生電壓，并且電阻器的兩個(gè)端子都處于0V接地電位。結(jié)果是圖2中的橙色直流波形。

LTspice圖顯示AC輸入波形的半波整流。

圖2:單個(gè)二極管將綠色交流波形轉(zhuǎn)換為橙色直流波形。圖片由Robert Keim提供

將整流波形描述為“DC”似乎相當(dāng)慷慨，確實(shí)我們永遠(yuǎn)不想將其用作電子電路的DC電源電壓。然而，嚴(yán)格地說(shuō)，它確實(shí)是一個(gè)直流波形。盡管電壓波動(dòng)劇烈，但其極性永遠(yuǎn)不會(huì)改變，這意味著波形產(chǎn)生的電流將始終朝著同一方向移動(dòng)。

盡管簡(jiǎn)單且至少在一定程度上有效，但單二極管方法有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)——源波形的正半部分被保留，但負(fù)半部分被丟棄。這被稱為半波整流，它會(huì)在輸出波形中產(chǎn)生大的間隙。如果我們能找到一種方法來(lái)整流輸入信號(hào)而不浪費(fèi)一半，那會(huì)更好，而這正是全波整流器所做的。

四個(gè)二極管的全波整流

雖然使用兩個(gè)二極管和一個(gè)中心抽頭變壓器可以實(shí)現(xiàn)全波整流，但這種整流器往往比全橋整流器體積更大、成本更高。應(yīng)用程序的功率越高，包括變壓器就越大、越昂貴。

全橋整流器不需要兩個(gè)二極管和一個(gè)變壓器，而是需要四個(gè)二極管，以使正輸入電壓和負(fù)輸入電壓都能沿相同方向驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)負(fù)載。圖3顯示了采用經(jīng)典菱形配置的全橋整流器的四個(gè)二極管。

全波橋式整流器，四個(gè)二極管呈菱形配置。

圖3。菱形配置是全波橋式整流器的經(jīng)典代表。圖片由Tony R.Kuphaldt提供

在該電路中，源極連接到陰極與陽(yáng)極相遇的節(jié)點(diǎn)；輸出取自連接兩個(gè)陽(yáng)極或兩個(gè)陰極的節(jié)點(diǎn)。正極和負(fù)極電源電壓都將導(dǎo)致電流從負(fù)載電阻器的正極端子流到負(fù)極端子。

使用圖4中的LTspice實(shí)現(xiàn)，讓我們更深入地了解四二極管排列是如何實(shí)現(xiàn)全波整流的。

LTspice實(shí)現(xiàn)了全橋整流器。

圖4。全橋整流器的LTspice實(shí)現(xiàn)。圖片由Robert Keim提供

如示意圖所示，輸入源的負(fù)極端子是模擬器的參考節(jié)點(diǎn)，輸出電壓必須從“整流+”節(jié)點(diǎn)到“整流-”節(jié)點(diǎn)進(jìn)行差分測(cè)量。

由于輸入源和整流輸出不共享一個(gè)共同的參考電勢(shì)，如果你關(guān)注電壓，這個(gè)電路的操作可能會(huì)有點(diǎn)混亂。關(guān)鍵是要從電流的角度來(lái)思考，電流必須來(lái)源于電源并返回電源，同時(shí)始終向下流經(jīng)負(fù)載電阻器。

只要電流向下流過(guò)負(fù)載，負(fù)載兩端的電壓——或者換句話說(shuō)，提供給負(fù)載的電壓——就會(huì)是正的。圖5中的綠色箭頭顯示了電源電壓為正時(shí)的電流。

全橋整流器電流在輸入波的正半周期間流動(dòng)。

圖5。全橋整流器電流在輸入波的正半周期間流動(dòng)。圖片由Robert Keim提供

然而，當(dāng)源極電壓為負(fù)時(shí)，源極符號(hào)的下端子的電壓高于上端子的電壓。因此，電流從下端開(kāi)始，流向上端，如圖6所示。

全橋整流器電流在輸入波的負(fù)半周期間流動(dòng)。

圖6。全橋整流器電流在輸入波的負(fù)半周期間流動(dòng)。圖片由Robert Keim提供

結(jié)果，如圖7的電壓圖所示，是一個(gè)整流波形，它保留了輸入波的正半周期，并反轉(zhuǎn)了負(fù)半周期。

示出AC輸入信號(hào)的全波整流的LTspice圖。

圖7。圖4中的全橋整流器將綠色交流波形轉(zhuǎn)換為橙色直流波形。圖片由Robert Keim提供

在全橋整流器完成工作后，我們可以通過(guò)使用電容器來(lái)平滑波動(dòng)的直流信號(hào)，然后使用線性調(diào)節(jié)器來(lái)穩(wěn)定平滑的信號(hào)，從而產(chǎn)生可用的直流電源電壓。

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我們現(xiàn)在已經(jīng)介紹了四個(gè)二極管的巧妙互連如何進(jìn)行交流到直流轉(zhuǎn)換的基本知識(shí)。您可以通過(guò)閱讀All about Circuits網(wǎng)站上提供的帶輸出濾波的全波橋式整流器項(xiàng)目來(lái)了解更多關(guān)于全橋整流器的信息，如果您愿意，還可以構(gòu)建該項(xiàng)目。