前言

单相半波整流电路

1.工作原理

2.主要参数

3.二极管选择

单相桥式整流电路

1.电路的组成

2.工作原理

3.输出电压平均值和输出电流平均值

4.二极管选择

三相整流电路

前言

在电子电路及设备中，一般需要稳定的直流电源供电。本节所介绍的直流电源为单相小功率电源，它将频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几十安以下的直流电压。

单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换为1稳定的直流电压，其方框如下图及各电路的输出电压波形如下图所示

分析整流电路，就是弄清电路的工作原理(即整流原理)，求出主要参数，并确定整流二极管的极限参数。

单相半波整流电路

单相220伏电压半波整流后直流(不采用滤波)电压：

U直＝0.45U交＝0.9×220＝99(V)

单相220伏电压半波整流后直流(采用滤波)电压(带负载)：

U直＝U交×1.1＝220×1.1≈242(V)

单相220伏电压半波整流后直流(采用滤波)电压(未带负载)：

U直＝U交×1.41＝220×1.41≈310(V)

1.工作原理

单相半波整流电路是最简单的一种整流电路，设变压器的二次电压有效值为 $U_2$ ，则其瞬时值 $u_2={\sqrt{2}}U_2sin\quad \omega t$ 。

在 $u_2$ 的正半周，A点为正，B点为负，二极管外加正向电压，因而处于导通状态。电流从A点流出，经过二极管D和负载电阻 $R_L$ 流入B点， $u_0=u_2=\sqrt{2}U_2sin\quad \omega t(\omega t=0-\pi )$ 。在 $u_2$ 的负半周，B点为正，A点为负，二极管外加反向电压，因此处于截止状态， $u_2=0(\omega t=0-2\pi )$ 。负载电阻 $R_L$ 的电压和电流都具有单一方向脉动的特性。

下图所示为变压器二次电压 $u_2$ 、输出电压 $u_0$ (也可表示输出电流和二极管的电流)、二极管端电压的波形。

分析整流电路工作原理时，应研究变压器二次电压极性不同时二极管的工作状态，从而得出输出电压的波形，也就弄清了整流原理。整流电路的波形分析是其定量分析的基础。

2.主要参数

在研究整流电路时，至少应考查整流电路输出电压平均值和输出电流平均值两项指标，有时还需考虑脉动系数，以便定量反映输出波形脉动的情况。

输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 $U_{o(AV)}$ 。从下图所示波形图可知，当 $\omega t=0-\pi$ 时， $u_0=\sqrt{2}U_2sin\quad\omega t$ ；当 $\omega t=\pi -2\pi$ 时， $u_0=0$ 。

所以，求解 $u_0$ 的平均值 $U_{o(AV)}$ ，就是将 $0-\pi$ 的电压平均在 $0-2\pi$ 时间间隔之中，写成表达式为

$U_{0(AV)}=\frac{1}{2\pi }\int_{0 }^{\pi }\sqrt{2}U_2sin \quad \omega td(\omega t)$

解得

$U_{0(AV)}=\frac{\sqrt{2}U_2}{\pi }\approx 0.45U_2$

负载电流的平均值

$I_{O(AV)}=\frac{U_{O(AV)}}{R_L}\approx \frac{0.45U_2}{R_L}$

例如，当变压器二次电压有效值 $U_2$ =20V时，单相半波整流电路的输出电压平均值 $U_{O(AV)}\approx 9V$ 。若负载电阻 $R_L=20\Omega$ ，则负载电流平均值 $I_{O(AV)}\approx 0.45A$ 。

整流输出电压的脉动系数S定义为整流输出电压的基波峰值 $U_{O1M}$ 与输出电压平均值 $U_{O(AV)}$ 之比，即 $S=\frac{U_{O1M}}{U_{O(AV)}}$ 因而S愈大，脉动愈大。

由于半波整流电路输出电压 $u_0$ 的周期与 $u_2$ 相同， $u_o$ 的基波角频率与 $u_2$ 相同，即50Hz。通过谐波分析可得 $U_{O1M}=U_2/\sqrt{2}$ ,故半波整流电路输出电压的脉动系数

$S=\frac{U_2/\sqrt{2}}{\sqrt{2}U_2/\pi }=\frac{\pi }{2}\approx 1.57$

说明半波整流电路的输出脉动很大，其基波峰值约为平均值的1.57倍。

3.二极管选择

当整流电路的变压器二次电压有效值和负载电阻值确定后，电路对二极管参数的要求也就确定了。一般应根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。

在单相半波整流电路中，二极管的正向平均电流等于负载电流平均值，即

$I_{D(AV)}=I_{O(AV)}\approx \frac{0.45U_2}{R_L}$

二极管承受的最大反向电压等于变压器二次侧的峰值电压，即

$U_{Rmax}=\sqrt{2}U_2$

一般情况下，允许电网电压有±10%的波动，即电源变压器一次电压为198~242V，因此在选用二极管时，对于最大整流平均电流 $I_F$ 和最高反向工作电压 $U_{RM}$ 应至少留有10%的余地，以保证二极管安全工作，即选取

$I_F> 1.1I_{O(AV)}=1.1\frac{\sqrt{2}U_2}{\pi R_L}$

$U_{RM}> 1.1\sqrt{2}U_2$

单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。但是由于它只利用交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大(即脉动大)，效率低。因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。

单相桥式整流电路

单相220伏电压桥式整流后直流(不采用滤波)电压：

U直＝0.9U交＝0.9×220＝198(V)

单相220伏电压桥式整流后直流(采用滤波)电压：

U直＝U交×1.41＝220×1.41≈310(V)

为了克服单相半波整流电路的缺点，在实用电路中多采用的心情单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路

1.电路的组成

单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器二次电压 $u_2$ 的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。为了达到这一目的，就要在 $u_2$ 的正、负半周内正确引导流向负载的电流。

设变压器二次侧两端分别为A和B，则A为“+”、B为“-”时应有电流流出A点，A为“-”、B为“+”时应有电流流入A点；相反，则A为“+”、B为“-”时应有电流流入B点，A为“-”、B为“+”时应有电流流出B点；因而A和B点均应分别接两只二极管的阳极和阴极，以引导电流。如下图所示。

2.工作原理

设变压器二次电压 $u_2=\sqrt{2}U_2sin \omega t$ ， $U_2$ 为其有效值。

当 $u_2$ 为正半周时，电流由A点流出，经 $D_1.R_L.D_3$ 流入B点，如图A中实线箭头所示，因而负载电阻 $R_L$ 上的电压等于变压器二次电压，即 $u_0=u_2$ ， $D_2$ 和 $D_4$ 管承受的反向电压为 $-u_2$ 。当 $u_2$ 为负半周时，电流由B点流出 $D_2.R_L.D_4$ 流入A点，如图A中虚心箭头所示，负载电阻 $R_L$ 上的电压等于 $-u_2$ ，即 $u_0=-u_2$ ， $D_1.D_3$ ,承受的反向电压为 $u_2$ 。

这样，由于 $D_1.D_3$ 和 $D_2.D_4$ 两队二极管交替导通，导致负载电阻 $R_L$ 上在 $u_2$ 的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压 $u_0=|\sqrt{2}U_2sin\omega t|$ 下图B所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。

3.输出电压平均值和输出电流平均值

根据图B中所示 $u_0$ 的波形可知，输出电压的平均值：

$U_{0(AV)}=\frac{1}{\pi }\int_{0}^{\pi }\sqrt{2}U_2sin\quad\omega td(\omega t)$

解得

$U_{0(AV)}=\frac{2\sqrt{2}U_2}{\pi }\approx 0.9U_2$

由于桥式整流电路实现了全波整流电路，它将 $u_2$ 的负半周也利用起来，所以在变压器二次电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流电路的两倍。

输出电流的平均值(即负载电阻中的电流平均数)：

$I_{0(AV)}=\frac{U_{0(AV)}}{R_L}\approx \frac{0.9U)2}{R_L}$

在变压器二次电压相同，且负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。

根据谐波分析，桥式整流电路的基波 $U_{O1M}$ 的角频率是 $u_2$ 的两倍，即100Hz， $U_{O1M}=\frac{2}{3}\times 2\sqrt{2}U_2/\pi$ 。故脉动系数 $S=\frac{U_{O1M}}{U_{0(AV)}}=\frac{2}{3}\approx 0.67$ 与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。

4.二极管选择

在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器二次电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即

$I_{D(AV)}=\frac{I_{0(AV)}}{2}=\frac{0.45U_2}{R_L}$

与半波整流电路中二极管的平均电流相同。

根据图B所示 $u_D$ 的波形可知，二极管的最大反向电压

$U_{Rmax}=\sqrt{2}U_2$

与半波整流电路中二极管承受的最大反向电压也相同。

考虑到电网电压的波动范围为±10%，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流 $I_F$ 和最高反向工作电压 $U_{RM}$ 分别为

$I_F> 1.1I_{O(AV)}=1.1\frac{\sqrt{2}U_2}{\pi R_L}$

$U_{RM}> 1.1\sqrt{2}U_2$

单相桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器二次电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，因此得到相当广泛的应用。目前有不同性能指标的集成电路，称之为“整流桥堆”。它的主要缺点是所需二极管的数量多，由于实际上二极管的正向电阻不为零必然使得整流电路内阻较大，当然损耗也就较大。

可以想象，如果将桥式整流电路变压器二次侧中点接地，并将两个负载电阻相连接，且连接点接地，如图C所示；那么根据桥式整流电路的工作原理，当则A点为“+”、B点为“-”时， $D_1.D_3$ 导通， $D_2.D_4$ 截止，电流如同中实线所示；而B点为“+”A点为“-”时， $D_2.D_4$ 导通， $D_1.D_3$ 截止，电流如图中虚线所示；这样，两个负载上就分别获得正、负电源。可见，利用桥式整流电路可以轻而易举地获得正、负电源，这是其他类型整流电路难以做到的。

三相整流电路

三相380伏电压全波整流后直流(不采用滤波)电压：

U直＝0.9U交＝0.9×380＝342(V)

三相380伏电压全波整流后直流(采用滤波)电压：

U直＝U交×1.41＝380×1.41≈536(V)

在实际应用中，当整流电路的输出功率(即输出电压平均值与电流平均值之积)超过几千瓦且有要求脉动较小时，就需要采用三项整流电路。三相整流电路的组成原则和方法与单相桥式整流电路相同，变压器二次侧的三个端均应接两只二极管，且一只接阴极，另一只接阳极，电路如图D所示；利用前面所述方法分析电路，可以得出其波形，如图E所示。