二極管有單相導電的特性,由此特性可以構(gòu)成各類整流電路,這也是二極管的基本應用之一,本文介紹幾種常見的由二極管組成的整流電路,以Multisim仿真的過程來理論分析一下工作原理,我們做以下約定:二極管為理想二極管,負載以電阻性負載為示例,示波器A通道接輸入,波形以紅色表示,B通道接輸出,波形以藍色表示。
二、半波整流電路
2.1 電路解析
半波整流電路是將輸入的完整正弦波去掉半周,保留半周波形的整流電路,是將連續(xù)的交流電轉(zhuǎn)化為脈動電,整流的最終目標是為了將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。 (交流電或脈動電轉(zhuǎn)化為直流電需要4個過程:變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓)。
下圖中紅色是信號輸入,相關幅值可從示波器讀出,可見輸入是一個峰峰值是40V、頻率是50Hz的交流信號,當輸入正半周信號時,大于D1的導通電壓,則信號經(jīng)過D1加到負載R1; 當輸入負半周信號時,D1截止,則負載R1上沒有電壓,這樣,在一個周期內(nèi),只有正半周的電壓加到了負載上,形成了一個正半周通過的整流電路,輸出信號見示波器藍色,保留了正弦波的正向波形,去掉了負向信號。
如果把上圖中輸入信號更換為三角波,再看一下仿真效果,仍然是負向電壓被去除了,只向負載輸出了正向電壓。
二極管有單向?qū)щ娦?,如果要想得到負半周的信號,只需在半波整流電路中將二極管方向調(diào)一下即可,見下圖,把D1進行了反向,這樣,當輸入信號是正半周時,二極管截止,負載端沒有電壓; 當輸入電壓是負半周時,二極管導通,則負半周的信號經(jīng)過二極管到達了負載端,仿真波形見下圖所示。
2.2 計算(正半周正弦波整流電路)
設輸入電壓有效值:Uin,輸出電壓有效值Uo,則有:
輸入交流電壓 uin = Uin*sin(wt)
輸出電壓有效值Uo = 0.45*Uin
負載平均電流 Id = Uo/R1
二極管最大反向電壓(有負載電容) Udmax =2 Uin(電壓疊加)
2.3 小結(jié)
通過上面的解析,可以得到以下內(nèi)容:
A: 半波整流電路的交流利用率是50%;
B: 半波整流電路的輸出是一個直流脈動電壓;
C: 有負載電容的半波整流電路中,二極管最大反向電壓為2倍的交流輸入峰值電壓,即2 Uin;
D: 二極管與電容的選型要負載對電流的要求。
三、全波整流電路
3.1 電路解析
全波整流電路由兩個二極管組成,分別在正弦波的正、負半周導通,這樣可以輸出一個連續(xù)的脈動信號,頻率是半波整流輸出的一倍。
下圖中紅色是電壓輸入,相關幅值可從示波器讀出,可見輸入是一個峰峰值是40V、頻率是50Hz的交流信號,當輸入正半周電壓時,
D1導通,D2截止,則信號經(jīng)過D1加到負載R1; 當輸入負半周電壓時,D1截止,D2導通,則信號經(jīng)過D2加到負載R1,這樣,在一個周期內(nèi),正負半周的電壓都加到了負載上,且方向相同,輸出電壓見示波器藍色。
輸出電壓的頻率提高了,可是仍然是一個脈動電源,如果在負載端增加電容進行濾波,則電壓會變平滑,如下圖,增加了一個10uF電容后,仿真效果。 電容在脈動電壓峰值之間向負載放電,輸出電壓發(fā)生了變化。
3.2 計算
設輸入電壓有效值:Uin,輸出電壓有效值Uo,則有:
輸入交流電壓 uin = Uin*sin(wt)
輸出電壓有效值Uo = 0.9*Uin
負載平均電流 Id = Uo/R1
二極管最大反向電壓Udmax =2 Uin
3.3 小結(jié)
通過上面的解析,可以得到以下內(nèi)容:
A: 二極管全波整流的電流利用率是100%;
B: 二極管全波整流輸出的是一個直流脈動電壓;
C: 二極管最大反向電壓是2倍的輸入峰值電壓,即2 Uin;
D: 二極管與電容的選型要負載對電流的要求。
四、橋式整流電路
4.1 電路解析
橋式整流電路由四個二極管組成,在正弦波的正、負半周分別有兩個二極管導通,這樣可以輸出一個連續(xù)的脈動信號,頻率是半波整流輸出的一倍。
下圖中紅色是電壓輸入,相關幅值可從示波器讀出,可見輸入是一個峰峰值是40V、頻率是50Hz的交流信號,當輸入正半周電壓時,
D1、D4導通,D2、D3截止,電壓加到負載R1; 當輸入負半周電壓時,D1、D4截止,D2、D3導通,電壓加到負載R1,這樣,在一個周期內(nèi),正負半周的電壓都加到了負載上,且方向相同,輸出電壓見示波器藍色。
如下圖,增加了一個10uF電容后,仿真效果。 電容在脈動電壓峰值之間向負載放電,輸出電壓發(fā)生了變化。
可見,橋式整流和二極管全波整流效果相同,橋式也是全波的一種,但是同樣都是全波整流,兩個二極管在電路中,和四個二極管在電路中,有什么區(qū)別呢? 橋式有什么意義? 其實是,橋式整流用犧牲兩個二極管的代價,降低了二極管的最大反向電壓,這樣簡化了要求,選型也簡單了,另外,二極管的反向電壓越高,則成本越高,使用橋式也有利于降低成本。 所以在實際應用中,橋式整流是常用的電路形式。
4.2 計算
設輸入電壓有效值:Uin,輸出電壓有效值Uo,則有:
輸入交流電壓 uin = Uin*sin(wt)
輸出電壓有效值Uo = 0.9*Uin
負載平均電流 Id = Uo/R1
二極管最大反向電壓Udmax = Uin
4.3 小結(jié)
通過上面的解析,可以得到以下內(nèi)容:
A: 二極管橋式整流的電流利用率是100%;
B: 二極管橋式整流輸出的是一個直流脈動電壓;
C: 二極管最大反向電壓與輸入峰值電壓相同,即 Uin;
D: 二極管與電容的選型要負載對電流的要求。
五、半波倍壓整流電路
本節(jié)主要介紹的是二倍壓整流電路,是由兩個半波整流對電容充電的串聯(lián)而成,當輸入電壓為負半周時,D1導通,由輸入電壓對C1進行充電,可達到Uin; 當輸入電壓為正半周時,D2導通,由C1上的電荷與輸入電壓同時對C2進行充電; C1失去的電荷在下一次輸入電壓的負半周期間可以得到補充,在若干個周期后,C1的電壓穩(wěn)定在Uin,C2的電壓穩(wěn)定在2Uin,即輸入電壓的2倍。
當D2截止時,C2通過負載放電,電壓降低,在下一輸入負半周期會得到補充,所以輸出的電壓是C2在一個周期內(nèi)的平均值,理論上低于2倍的輸入電壓,具體低多少,取決于負載的阻值,阻值越大,越接近2倍的輸入電壓。
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