二極管整流電路解析

二極管有單相導(dǎo)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(yīng)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(fù)載以電阻性負(fù)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(lán)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(biāo)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(guān)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(dāng)輸入正半周信號時，大于D1的導(dǎo)通電壓，則信號經(jīng)過D1加到負(fù)載R1; 當(dāng)輸入負(fù)半周信號時，D1截止，則負(fù)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(fù)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(lán)色，保留了正弦波的正向波形，去掉了負(fù)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(fù)向電壓被去除了，只向負(fù)載輸出了正向電壓。

二極管有單向?qū)щ娦?，如果要想得到?fù)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(jìn)行了反向，這樣，當(dāng)輸入信號是正半周時，二極管截止，負(fù)載端沒有電壓; 當(dāng)輸入電壓是負(fù)半周時，二極管導(dǎo)通，則負(fù)半周的信號經(jīng)過二極管到達(dá)了負(fù)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(shè)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(fù)載平均電流 Id = Uo/R1

二極管最大反向電壓(無負(fù)載電容) Udmax = Uin

二極管最大反向電壓(有負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)半周導(dǎo)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(guān)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(dāng)輸入正半周電壓時，
D1導(dǎo)通，D2截止，則信號經(jīng)過D1加到負(fù)載R1; 當(dāng)輸入負(fù)半周電壓時，D1截止，D2導(dǎo)通，則信號經(jīng)過D2加到負(fù)載R1，這樣，在一個周期內(nèi)，正負(fù)半周的電壓都加到了負(fù)載上，且方向相同，輸出電壓見示波器藍(lán)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(fù)載端增加電容進(jìn)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(fù)載放電，輸出電壓發(fā)生了變化。

3.2 計算

設(shè)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(fù)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(fù)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(fù)半周分別有兩個二極管導(dǎo)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(guān)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(dāng)輸入正半周電壓時，
D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止，電壓加到負(fù)載R1; 當(dāng)輸入負(fù)半周電壓時，D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，電壓加到負(fù)載R1，這樣，在一個周期內(nèi)，正負(fù)半周的電壓都加到了負(fù)載上，且方向相同，輸出電壓見示波器藍(lán)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(fù)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(yīng)用中，橋式整流是常用的電路形式。

4.2 計算

設(shè)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(fù)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(fù)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(dāng)輸入電壓為負(fù)半周時，D1導(dǎo)通，由輸入電壓對C1進(jìn)行充電，可達(dá)到Uin; 當(dāng)輸入電壓為正半周時，D2導(dǎo)通，由C1上的電荷與輸入電壓同時對C2進(jìn)行充電; C1失去的電荷在下一次輸入電壓的負(fù)半周期間可以得到補(bǔ)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(dāng)D2截止時，C2通過負(fù)載放電，電壓降低，在下一輸入負(fù)半周期會得到補(bǔ)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(fù)載的阻值，阻值越大，越接近2倍的輸入電壓。