整流電路的半波整流和全波整流講解

整流電路（rectifier circuit）是二極管的一個(gè)重要應(yīng)用，其功能是將交流電變?yōu)橹绷麟?，下圖為一個(gè)普通的直流電源的基本框圖結(jié)構(gòu)：

圖 2-3.01?

這一小節(jié)我們?cè)敿?xì)要分析的，就是圖中的二極管整流器（diode rectifier）部分。作為整流器使用的二極管通常都是功率二極管，它的功率和最大正偏電流值要比一般作為開關(guān)使用的高速二極管大得多，比較常用的功率二極管有：1N4001~1N4007系列。常用的整流電路有半波整流和全波整流兩種，下面分別予以介紹。

1.?? 半波整流

半波整流（half-wave rectification）的電路非常簡(jiǎn)單，如下圖所示：

圖 2-3.02?

設(shè)輸入電壓為經(jīng)過變壓器變壓后的正弦電壓，表達(dá)式為：

當(dāng)輸入電壓vi處于正半周且大于0.7V時(shí)，二極管導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓vo僅比vi小0.7V；當(dāng)輸入電壓小于0.7V時(shí)（整個(gè)負(fù)半周和正半周小于0.7V的部分），二極管截止，輸出電壓vo為0，其輸入和輸出的對(duì)比波形圖如下圖所示：

圖 2-3.03?

當(dāng)然，上圖只是我們假想的理想二極管的波形，實(shí)際上，由于二極管伏安特性的非線性，在波峰處的輸入電壓和輸出電壓的差值要更大一些，真正的輸入電壓和輸出電壓的對(duì)比波形放大后是如下圖所示這樣的，下面是輸入Vm為5V時(shí)示波器觀察到的波形：

圖 2-3.04?

當(dāng)輸入電壓的Vm遠(yuǎn)大于0.7V時(shí)，其實(shí)這點(diǎn)微小的偏差可以忽略不記。

另外，再考慮一下在半波整流情況下，二極管的反偏峰值電壓（PIV），當(dāng)輸入電壓處于負(fù)半周時(shí)，幾乎所有的反偏電壓都加在二極管上，所以對(duì)二極管反偏電壓參數(shù)的要求是：

PIV額定值 ≥ Vm ? ?（半波整流）

一般半波整流在實(shí)際中并不太用到，因?yàn)樾侍停麄€(gè)負(fù)半周都浪費(fèi)掉了。所以上面介紹的半波整流，僅僅是用來幫助初步理解整流的概念的，真正實(shí)用的是下面要介紹的全波整流。

2.?? 全波整流

（1） 橋式全波整流

最常用的橋式（bridge network）全波整流（full-wave rectification）電路圖如下圖所示：

圖 2-3.05?

當(dāng)輸入電壓處于正半周時(shí)，二極管D2和D3導(dǎo)通，二極管D1和D4截止。當(dāng)輸入電壓處于負(fù)半周時(shí)，二極管D4和D1導(dǎo)通，二極管D2和D3截止。電流流動(dòng)情況分別如下圖所示：

圖 2-3.06?

注意在上圖中，流過負(fù)載電阻R的電流方向始終是從右向左的，所以在R上的電壓極性始終是一個(gè)方向的。另外，電流通路要經(jīng)過2個(gè)二極管，所以輸出電壓會(huì)比輸入電壓下降2個(gè)0.7V（即1.4V），最終的全波整流的輸入和輸出波形是這個(gè)樣子的：

圖 2-3.07?

當(dāng)輸入電壓的Vm遠(yuǎn)大于1.4V時(shí)，可以忽略這個(gè)1.4V，近似認(rèn)為輸出電壓的波形是這樣的：

圖 2-3.08?

根據(jù)電路基礎(chǔ)理論中的關(guān)于交流電“平均值”和“有效值”的公式，可以得到以下結(jié)果：

最后再來看全波整流對(duì)于二極管的PIV參數(shù)的要求，以正半周為例（此時(shí)D2和D3導(dǎo)通，可近似視為短路），在下圖中可以看到，無論是D1還是D4，都承受了幾乎所有的vi電壓

圖 2-3.09?

所以對(duì)全波整流二極管的選型，PIV的參數(shù)要求為：

PIV額定值 ≥ Vm ? ?（橋式全波整流）

（2） 中心抽頭變壓器全波整流

另一種比較常見的全波整流電路為使用中心抽頭變壓器（center-tapped transformer）的整流電路，也叫CT全波整流，如下圖所示：

圖 2-3.10?

變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈繞組的匝數(shù)為1:2，次級(jí)線圈上會(huì)產(chǎn)生2倍于vi的電壓，但是對(duì)于中間的抽頭O點(diǎn)引出后，無論是AO之間還是BO之間，都只有次級(jí)線圈的一半匝數(shù)，故它們的電壓vAO和vBO都等于vi

當(dāng)輸入電壓處于正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，負(fù)載R上的電壓為vo等于次級(jí)線圈的一半（即AO之間）的電壓，此值大小等于vi，流過R的電流方向?yàn)閺挠抑磷螅划?dāng)輸入電壓處于負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，D1截止，負(fù)載R上的電壓為vo等于次級(jí)線圈的另一半（即BO之間）的電壓，此值大小也等于vi，流過R的電流方向同樣為從右至左。 輸出電壓vo的波形如下圖所示：

圖 2-3.11?

中心抽頭變壓器全波整流對(duì)于二極管PIV參數(shù)的要求與橋式整流不同，從前面圖中可以看到，對(duì)于每個(gè)二極管，當(dāng)其反偏時(shí)，要承受整個(gè)整個(gè)次級(jí)線圈的反偏電壓，即2倍的vi，所以對(duì)于中心抽頭變壓器全波整流二極管的選型要求為：

PIV額定值 ≥ 2Vm ? ?（中心抽頭變壓器全波整流）

3.?? 濾波與穩(wěn)壓

最后我們?cè)俸?jiǎn)單介紹一下“圖2-3.01”中的濾波器和穩(wěn)壓器。

圖 2-3.12?

（1） 濾波器

濾波器（filter）可以做得很復(fù)雜，也可以做得很簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的濾波器就是一個(gè)電容。一般對(duì)于交流電源整流后濾波來講，一個(gè)大電容基本上就夠用了，如下圖所示：

圖 2-3.13?

上圖中，輸出電壓vo等于濾波器的電容電壓vC，我們來分析濾波過程：

（1）在全波整流的輸出電壓第1次到達(dá)峰值Vm以前，整流器的輸出電壓給電容C充電，此時(shí)vo等于整流器輸出電壓，如下圖所示，圖中灰色虛線為無濾波器時(shí)的整流器輸出電壓：

圖 2-3.14?

（2）當(dāng)整流器輸出電壓經(jīng)過峰值Vm后，其輸出電壓開始變小，此時(shí)電容上存儲(chǔ)的電壓為Vm，已經(jīng)超過整流器輸出電壓，但是由于整流器的D2和D4反向截止，電容無法向整流器放電，只能通過負(fù)載電阻RL進(jìn)行放電。由于濾波電容一般都會(huì)用比較大的電容，所以通過負(fù)載RL放電的速度比較緩慢，如下圖所示：

圖 2-3.15?

（3）當(dāng)整流器的輸出電壓第2次接近峰值Vm時(shí)，由于電容放電速度比較緩慢，電容電壓vC比峰值Vm略低，當(dāng)整流器輸出電壓超過電容電壓時(shí)，整流器再次對(duì)電容進(jìn)行充電，如下圖所示：

圖 2-3.16?

（4）當(dāng)整流器輸出電壓再次小于峰值Vm時(shí)，電容再次開始放電。如此周而復(fù)始，由于輸出電壓vo等于電容電壓vC，最終輸出的電壓波形如下圖所示：

圖 2-3.17?

這種形狀的輸出電壓波形稱為波紋電壓（ripple voltage）。一般來講，電容取得越大，波紋就越小，濾波效果越好。同時(shí)，負(fù)載RL的阻值也不能太小，否則也會(huì)因?yàn)榉烹娝俣忍於共y波動(dòng)幅度加劇。

● 浪涌限制電阻

最后再補(bǔ)充一點(diǎn)關(guān)于浪涌（surge）的知識(shí)。在電源剛接通時(shí)，濾波電容C是未充電的，當(dāng)開關(guān)SW合上的瞬間，電容相當(dāng)于并聯(lián)在整流器的輸出電壓上，會(huì)產(chǎn)生非常巨大的瞬間充電電流，這個(gè)稱為浪涌電流（surge current）。如果開關(guān)閉合的時(shí)機(jī)正好在整流器輸出電壓處于峰值Vm輸出的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生最糟糕的情況，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的浪涌電流。如下圖所示：

圖 2-3.18?

大的浪涌電流很可能損壞二極管，或者導(dǎo)致變壓器前級(jí)的保險(xiǎn)絲熔斷，因此通常會(huì)在充電通路上加一個(gè)抗浪涌電阻Rsurge，以形成RC充電回路，防止充電電流過大，如下圖所示：

圖 2-3.19?

這個(gè)抗浪涌電阻的阻值選擇比較講究，既不能太大（阻值太大會(huì)導(dǎo)致這個(gè)電阻上本身產(chǎn)生很大的壓降，而影響電源效率）；也不能太?。ㄗ柚堤?huì)導(dǎo)致抗浪涌效果不好）。最好是電路啟動(dòng)的時(shí)候阻值比較大，以取得較好的抗浪涌效果；然后電路正常工作的時(shí)候阻值較小，以避免在抗浪涌電阻上產(chǎn)生過多壓降。有沒有這種理想的抗浪涌電阻呢？

答案是有的。通常我們用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻來作為抗浪涌電阻。負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)是：溫度越高，阻值越低。當(dāng)電路剛啟動(dòng)時(shí)，溫度一般為常溫，NTC電阻阻值會(huì)比較大，這時(shí)抗浪涌效果會(huì)比較好。當(dāng)電路工作一段時(shí)間后，流過NTC電阻的電流會(huì)導(dǎo)致電阻發(fā)熱，使其阻值下降，這樣就可以避免在抗浪涌電阻上產(chǎn)生過大的壓降。

當(dāng)然，這種用法也有缺點(diǎn)，就是斷電后，要等一段時(shí)間，使NTC電阻冷卻下來后，才能再次開啟，否則初始抗浪涌的效果會(huì)變差，一般典型的冷卻時(shí)間大約為1分鐘左右。如果對(duì)于需要頻繁開啟的情況，就需要設(shè)計(jì)更復(fù)雜的抗浪涌電路。

（2）穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器（regulator）的作用是將濾波器輸出的紋波電壓，轉(zhuǎn)換成比較理想的恒定直流電壓，并且在即使輸入電壓有波動(dòng)、溫度有波動(dòng)或負(fù)載電阻有波動(dòng)時(shí)，仍能保持比較恒定的直流電壓輸出。

集成IC穩(wěn)壓器能比較好地達(dá)到這一目標(biāo)，而且成本低廉（價(jià)格在幾毛錢~1元不等），最常用的78XX系列穩(wěn)壓器可以產(chǎn)生5V~24V的輸出電壓，見下表所示。IC穩(wěn)壓器的輸出電流通常最大可以達(dá)到1A，有的甚至可以達(dá)到5A，詳情可查看具體的數(shù)據(jù)規(guī)格書。

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表 2-3.01?

一個(gè)典型的完整包含“整流器、濾波器、穩(wěn)壓器”的可產(chǎn)生5V的直流電源的電路如下圖示：

圖 2-3.20?

上圖中，C1即為濾波器，C2主要用于改善穩(wěn)壓器的輸出暫態(tài)響應(yīng)，這個(gè)電容值比較?。ㄒ话銥?.1uF~1uF左右）。D1~D4可選用上一章我們提到的1N4007二極管。

● 線性電源與開關(guān)電源

上面我們分析的都是線性電源（linear power supplier），其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)外界產(chǎn)生的干擾也較小。其缺點(diǎn)主要有2個(gè)：一個(gè)是重量太重（大部分重量是由鐵芯變壓器產(chǎn)生的），另一個(gè)是轉(zhuǎn)換效率稍低，IC穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生一定的熱量損耗，一般需要對(duì)IC穩(wěn)壓器做單獨(dú)散熱。

另一種形式的直流電源稱為開關(guān)電源（SMPS），它的優(yōu)點(diǎn)是輕便、轉(zhuǎn)換效率高；缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾（EMI），還會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成一定影響（主要是會(huì)在配電網(wǎng)中產(chǎn)生大量高次諧波并拉低功率因數(shù)）。為了抵消這些影響，開關(guān)電源必須設(shè)計(jì)得更為復(fù)雜。開關(guān)電源的工作原理與線性電源完全不同，后面如果有機(jī)會(huì)我們會(huì)將電源設(shè)計(jì)和穩(wěn)壓器參數(shù)單獨(dú)講一章。