全波整流器工作原理詳情

在之前的功率二極管工作原理那篇中，我們討論了通過在負(fù)載電阻上連接平滑電容來減少直流電壓上的紋波或電壓變化的方法。

雖然這種方法可能適用于低功率應(yīng)用，但它不適合需要“穩(wěn)定和平穩(wěn)”DC電源電壓的應(yīng)用。改善這一點的一種方法是使用輸入電壓的每個半周期而不是每隔一個半周期。允許我們這樣做的電路稱為全波整流器。

與半波電路一樣，全波整流電路產(chǎn)生純DC或具有某些特定DC分量的輸出電壓或電流。全波整流器與半波整流器相比具有一些基本優(yōu)勢。平均（DC）輸出電壓高于半波，全波整流器的輸出具有比半波整流器小得多的紋波，從而產(chǎn)生更平滑的輸出波形。

在全波整流器電路中，現(xiàn)在使用兩個二極管，每個半周期一個。使用多繞組變壓器，其次級繞組被分成兩半，具有共同的中心抽頭連接（C）。這種配置導(dǎo)致每個二極管在其陽極端子相對于變壓器中心點C為正時依次導(dǎo)通，在兩個半周期期間產(chǎn)生輸出，是半波整流器的兩倍，因此如下所示它是100％有效的。

全波整流原理

全波整流器電路圖

全波整流電路由兩個連接到單個負(fù)載電阻（R L）的功率二極管組成，每個二極管依次將其提供給負(fù)載。當(dāng)點甲變壓器的是正相對于指向?，二極管d1在向前方向上傳導(dǎo)由箭頭所示。

當(dāng)點B相對于點C為正（在周期的負(fù)半周）時，二極管D2正向傳導(dǎo)，并且流過電阻器R的電流在兩個半周期內(nèi)處于相同方向。由于電阻器R兩端的輸出電壓是兩個波形組合的相量和，這種類型的全波整流電路也稱為“雙相”電路。

如果我們在去除平滑電容器的Partim模擬器電路中運(yùn)行電路，我們可以非常清楚地看到這種影響。

Partim仿真波形

全波整流輸出波形圖

由于每個二極管產(chǎn)生的每個半波之間的空間現(xiàn)在被另一個二極管填充，負(fù)載電阻兩端的平均直流輸出電壓現(xiàn)在是單個半波整流電路的兩倍，并且最大約為 0.637V 。峰值電壓，假設(shè)沒有損失。

全波整流電壓計算公式

其中：V MAX是次級繞組的一半中的最大峰值，V RMS是有效值。

輸出波形的峰值電壓與之前的半波整流器相同，只要每半個變壓器繞組具有相同的均方根電壓值。為了獲得不同的DC電壓輸出，可以使用不同的變壓器比率。

這種類型的全波整流電路的主要缺點是，對于給定功率輸出需要較大的變壓器，具有兩個獨立但相同的次級繞組，使得這種類型的全波整流電路與“全波橋式整流器”電路等效相比成本高。 。

全波橋整流器

產(chǎn)生與上述全波整流電路相同的輸出波形的另一種類型的電路是全波橋式整流器。這種類型的單相整流器使用四個獨立的整流二極管，以閉環(huán)“橋”配置連接，以產(chǎn)生所需的輸出。

該橋接電路的主要優(yōu)點是它不需要特殊的中心抽頭變壓器，從而減小了其尺寸和成本。單個次級繞組連接到二極管橋接網(wǎng)絡(luò)的一側(cè)，負(fù)載連接到另一側(cè)，如下所示。

二極管橋整流器

二極管橋式整流器電路圖

標(biāo)記為D 1至D 4的四個二極管以“串聯(lián)對”排列，在每個半周期期間僅有兩個二極管導(dǎo)通電流。在電源的正半周期期間，二極管D1和D2串聯(lián)導(dǎo)通，而二極管D3和D4反向偏置，電流流過負(fù)載，如下所示。

正半周期

全波整流器正循環(huán)電路圖

在電源的負(fù)半周期期間，二極管D3和D4串聯(lián)導(dǎo)通，但二極管D1和D2切換為“OFF”，因為它們現(xiàn)在是反向偏置的。流過負(fù)載的電流與之前的方向相同。

負(fù)半周期

全波整流器負(fù)循環(huán)電路圖

由于流過負(fù)載的電流是單向的，因此負(fù)載兩端產(chǎn)生的電壓也是單向的，與前兩個二極管全波整流器相同，因此負(fù)載兩端的平均直流電壓最大為0.637V。

橋式整流器

典型的橋式整流器實物圖

然而實際上，在每個半周期期間，電流流過兩個二極管而不是僅一個二極管，因此輸出電壓的幅度是比輸入V MAX幅度小兩個電壓降（2 * 0.7 = 1.4V）。紋波頻率現(xiàn)在是電源頻率的兩倍（例如，50Hz電源為100Hz，60Hz電源為120Hz）。

雖然我們可以使用四個獨立的功率二極管來制作全波橋式整流器，但預(yù)制的橋式整流器組件可以“現(xiàn)成的”提供各種不同的電壓和電流尺寸，可以直接焊接到PCB電路板上或通過鏟形連接器連接。

右圖顯示了一個典型的單相橋式整流器，其中一個角被切斷。該截止角表示最靠近拐角的端子是正或+ ve輸出端子或引線，相反（對角線）引線為負(fù)或-ve輸出引線。另外兩個連接引線用于來自變壓器次級繞組的輸入交流電壓。

平滑電容器

我們在前一節(jié)中看到，單相半波整流器每半個周期產(chǎn)生一個輸出波，并且使用這種類型的電路來產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電源是不切實際的。然而，全波橋式整流器為我們提供了更大的平均DC值（0.637 Vmax），具有更少的疊加紋波，而輸出波形是輸入電源頻率的兩倍。

通過使用平滑電容器對輸出波形進(jìn)行濾波，我們可以提高整流器的平均直流輸出，同時降低整流輸出的交流變化。與全波橋式整流電路的輸出端的負(fù)載并聯(lián)連接的平滑或儲存電容器使平均DC輸出電平更高，因為電容器像存儲裝置那樣起作用，如下所示。

具有平滑電容器的全波整流器

全波整流器平滑電路圖

平滑電容將整流器的全波波紋輸出轉(zhuǎn)換為更平滑的DC輸出電壓。如果我們現(xiàn)在運(yùn)行安裝了不同平滑電容值的Partsim仿真器電路，我們可以看到它對整流輸出波形的影響，如圖所示。

5uF平滑電容器

5uF平滑電容器波形圖

波形上的藍(lán)色圖表顯示了在整流器輸出端使用5.0uF平滑電容的結(jié)果。以前，負(fù)載電壓跟隨整流輸出波形降至零伏。這里5uF電容器充電到輸出DC脈沖的峰值電壓，但當(dāng)它從峰值電壓下降回到零伏時，由于電路的RC時間常數(shù)，電容器不能快速放電。

這導(dǎo)致電容器放電至約3.6伏，在該示例中，保持負(fù)載電阻器兩端的電壓，直到電容器在DC脈沖的下一個正斜率上再次再充電。換句話說，電容器只有在下一個DC脈沖重新充電到峰值之前短暫放電的時間。因此，施加到負(fù)載電阻器的DC電壓僅下降少量。但是我們可以通過增加平滑電容的值來改善這一點，如圖所示。

50uF平滑電容器

50uF平滑電容器波形圖

在這里，我們將平滑電容的值從5uF增加到50uF，這減少了紋波，將最小放電電壓從之前的3.6伏增加到7.9伏。然而，使用Partsim仿真器電路我們選擇了1kΩ的負(fù)載來獲得這些值，但隨著負(fù)載阻抗的減小，負(fù)載電流增加，導(dǎo)致電容器在充電脈沖之間更快地放電。

通過使用更大的電容器可以減少用單個平滑電容器或儲存電容器提供重負(fù)載的效果，該電容器存儲更多能量并且在充電脈沖之間放電更少。通常對于DC電源電路，平滑電容器是鋁電解型電容器，其電容值為100uF或更高，其中來自整流器的重復(fù)DC電壓脈沖將電容器充電至峰值電壓。

但是，在選擇合適的平滑電容時需要考慮兩個重要參數(shù)，即工作電壓必須高于整流器的空載輸出值及其電容值，這將決定出現(xiàn)的紋波量。疊加在直流電壓之上。

電容值太低，電容對輸出波形影響不大。但如果平滑電容足夠大（可以使用并聯(lián)電容）并且負(fù)載電流不是太大，則輸出電壓幾乎與純DC一樣平滑。作為一般經(jīng)驗法則，我們希望峰峰值之間的紋波電壓小于100mV。

全波整流電路的最大紋波電壓不僅取決于平滑電容的值，還取決于頻率和負(fù)載電流，計算公式如下：

橋式整流器紋波電壓

全波整流器紋波電壓計算公式

其中：I是以安培為單位的直流負(fù)載電流，ƒ是紋波的頻率或輸入頻率的兩倍（赫茲），C是以法拉為單位的電容。

全波橋式整流器的主要優(yōu)點是，與同等的半波整流器相比，它對于給定負(fù)載具有更小的AC紋波值，并且具有更小的儲存器或平滑電容器。因此，紋波電壓的基頻是交流電源頻率（100Hz）的兩倍，對于半波整流器，它恰好等于電源頻率（50Hz）。

通過向橋式整流器的輸出端子添加大大改進(jìn)的π-濾波器（π-濾波器），可以基本上消除二極管疊加在DC電源電壓之上的紋波電壓量。這種類型的低通濾波器由兩個平滑電容器組成，通常具有相同的值，并且在它們兩端有一個扼流圈或電感，為交流紋波元件引入高阻抗路徑

另一種更實用，更便宜的替代方案是使用現(xiàn)成的3端電壓調(diào)節(jié)器IC，例如LM78xx（其中“xx”代表輸出電壓額定值）用于正輸出電壓或其反向等效LM79xx用于負(fù)值輸出電壓可以將紋波降低70dB以上（數(shù)據(jù)手冊），同時提供超過1安培的恒定輸出電流。

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