全波整流器工作原理详情

在之前的功率二极管工作原理那篇中，我们讨论了通过在负载电阻上连接平滑电容来减少直流电压上的纹波或电压变化的方法。

虽然这种方法可能适用于低功率应用，但它不适合需要“稳定和平稳”DC电源电压的应用。改善这一点的一种方法是使用输入电压的每个半周期而不是每隔一个半周期。允许我们这样做的电路称为全波整流器。

与半波电路一样，全波整流电路产生纯DC或具有某些特定DC分量的输出电压或电流。全波整流器与半波整流器相比具有一些基本优势。平均（DC）输出电压高于半波，全波整流器的输出具有比半波整流器小得多的纹波，从而产生更平滑的输出波形。

在全波整流器电路中，现在使用两个二极管，每个半周期一个。使用多绕组变压器，其次级绕组被分成两半，具有共同的中心抽头连接（C）。这种配置导致每个二极管在其阳极端子相对于变压器中心点C为正时依次导通，在两个半周期期间产生输出，是半波整流器的两倍，因此如下所示它是100％有效的。

全波整流原理

全波整流器电路图

全波整流电路由两个连接到单个负载电阻（R L）的功率二极管组成，每个二极管依次将其提供给负载。当点甲变压器的是正相对于指向?，二极管d1在向前方向上传导由箭头所示。

当点B相对于点C为正（在周期的负半周）时，二极管D2正向传导，并且流过电阻器R的电流在两个半周期内处于相同方向。由于电阻器R两端的输出电压是两个波形组合的相量和，这种类型的全波整流电路也称为“双相”电路。

如果我们在去除平滑电容器的Partim模拟器电路中运行电路，我们可以非常清楚地看到这种影响。

Partim仿真波形

全波整流输出波形图

由于每个二极管产生的每个半波之间的空间现在被另一个二极管填充，负载电阻两端的平均直流输出电压现在是单个半波整流电路的两倍，并且最大约为 0.637V 。峰值电压，假设没有损失。

全波整流电压计算公式

其中：V MAX是次级绕组的一半中的最大峰值，V RMS是有效值。

输出波形的峰值电压与之前的半波整流器相同，只要每半个变压器绕组具有相同的均方根电压值。为了获得不同的DC电压输出，可以使用不同的变压器比率。

这种类型的全波整流电路的主要缺点是，对于给定功率输出需要较大的变压器，具有两个独立但相同的次级绕组，使得这种类型的全波整流电路与“全波桥式整流器”电路等效相比成本高。 。

全波桥整流器

产生与上述全波整流电路相同的输出波形的另一种类型的电路是全波桥式整流器。这种类型的单相整流器使用四个独立的整流二极管，以闭环“桥”配置连接，以产生所需的输出。

该桥接电路的主要优点是它不需要特殊的中心抽头变压器，从而减小了其尺寸和成本。单个次级绕组连接到二极管桥接网络的一侧，负载连接到另一侧，如下所示。

二极管桥整流器

二极管桥式整流器电路图

标记为D 1至D 4的四个二极管以“串联对”排列，在每个半周期期间仅有两个二极管导通电流。在电源的正半周期期间，二极管D1和D2串联导通，而二极管D3和D4反向偏置，电流流过负载，如下所示。

正半周期

全波整流器正循环电路图

在电源的负半周期期间，二极管D3和D4串联导通，但二极管D1和D2切换为“OFF”，因为它们现在是反向偏置的。流过负载的电流与之前的方向相同。

负半周期

全波整流器负循环电路图

由于流过负载的电流是单向的，因此负载两端产生的电压也是单向的，与前两个二极管全波整流器相同，因此负载两端的平均直流电压最大为0.637V。

桥式整流器

典型的桥式整流器实物图

然而实际上，在每个半周期期间，电流流过两个二极管而不是仅一个二极管，因此输出电压的幅度是比输入V MAX幅度小两个电压降（2 * 0.7 = 1.4V）。纹波频率现在是电源频率的两倍（例如，50Hz电源为100Hz，60Hz电源为120Hz）。

虽然我们可以使用四个独立的功率二极管来制作全波桥式整流器，但预制的桥式整流器组件可以“现成的”提供各种不同的电压和电流尺寸，可以直接焊接到PCB电路板上或通过铲形连接器连接。

右图显示了一个典型的单相桥式整流器，其中一个角被切断。该截止角表示最靠近拐角的端子是正或+ ve输出端子或引线，相反（对角线）引线为负或-ve输出引线。另外两个连接引线用于来自变压器次级绕组的输入交流电压。

平滑电容器

我们在前一节中看到，单相半波整流器每半个周期产生一个输出波，并且使用这种类型的电路来产生稳定的直流电源是不切实际的。然而，全波桥式整流器为我们提供了更大的平均DC值（0.637 Vmax），具有更少的叠加纹波，而输出波形是输入电源频率的两倍。

通过使用平滑电容器对输出波形进行滤波，我们可以提高整流器的平均直流输出，同时降低整流输出的交流变化。与全波桥式整流电路的输出端的负载并联连接的平滑或储存电容器使平均DC输出电平更高，因为电容器像存储装置那样起作用，如下所示。

具有平滑电容器的全波整流器

全波整流器平滑电路图

平滑电容将整流器的全波波纹输出转换为更平滑的DC输出电压。如果我们现在运行安装了不同平滑电容值的Partsim仿真器电路，我们可以看到它对整流输出波形的影响，如图所示。

5uF平滑电容器

5uF平滑电容器波形图

波形上的蓝色图表显示了在整流器输出端使用5.0uF平滑电容的结果。以前，负载电压跟随整流输出波形降至零伏。这里5uF电容器充电到输出DC脉冲的峰值电压，但当它从峰值电压下降回到零伏时，由于电路的RC时间常数，电容器不能快速放电。

这导致电容器放电至约3.6伏，在该示例中，保持负载电阻器两端的电压，直到电容器在DC脉冲的下一个正斜率上再次再充电。换句话说，电容器只有在下一个DC脉冲重新充电到峰值之前短暂放电的时间。因此，施加到负载电阻器的DC电压仅下降少量。但是我们可以通过增加平滑电容的值来改善这一点，如图所示。

50uF平滑电容器

50uF平滑电容器波形图

在这里，我们将平滑电容的值从5uF增加到50uF，这减少了纹波，将最小放电电压从之前的3.6伏增加到7.9伏。然而，使用Partsim仿真器电路我们选择了1kΩ的负载来获得这些值，但随着负载阻抗的减小，负载电流增加，导致电容器在充电脉冲之间更快地放电。

通过使用更大的电容器可以减少用单个平滑电容器或储存电容器提供重负载的效果，该电容器存储更多能量并且在充电脉冲之间放电更少。通常对于DC电源电路，平滑电容器是铝电解型电容器，其电容值为100uF或更高，其中来自整流器的重复DC电压脉冲将电容器充电至峰值电压。

但是，在选择合适的平滑电容时需要考虑两个重要参数，即工作电压必须高于整流器的空载输出值及其电容值，这将决定出现的纹波量。叠加在直流电压之上。

电容值太低，电容对输出波形影响不大。但如果平滑电容足够大（可以使用并联电容）并且负载电流不是太大，则输出电压几乎与纯DC一样平滑。作为一般经验法则，我们希望峰峰值之间的纹波电压小于100mV。

全波整流电路的最大纹波电压不仅取决于平滑电容的值，还取决于频率和负载电流，计算公式如下：

桥式整流器纹波电压

全波整流器纹波电压计算公式

其中：I是以安培为单位的直流负载电流，ƒ是纹波的频率或输入频率的两倍（赫兹），C是以法拉为单位的电容。

全波桥式整流器的主要优点是，与同等的半波整流器相比，它对于给定负载具有更小的AC纹波值，并且具有更小的储存器或平滑电容器。因此，纹波电压的基频是交流电源频率（100Hz）的两倍，对于半波整流器，它恰好等于电源频率（50Hz）。

通过向桥式整流器的输出端子添加大大改进的π-滤波器（π-滤波器），可以基本上消除二极管叠加在DC电源电压之上的纹波电压量。这种类型的低通滤波器由两个平滑电容器组成，通常具有相同的值，并且在它们两端有一个扼流圈或电感，为交流纹波元件引入高阻抗路径

另一种更实用，更便宜的替代方案是使用现成的3端电压调节器IC，例如LM78xx（其中“xx”代表输出电压额定值）用于正输出电压或其反向等效LM79xx用于负值输出电压可以将纹波降低70dB以上（数据手册），同时提供超过1安培的恒定输出电流。

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