整流电路无疑是许多经典电路的基础。
因为把整流电路稍许变化,加一些电容电感,改一些晶体管元件,可以派生出许多其他常用电路。
如果不能理解整流电路,那么对后续其他电路的理解将会十分困难。
本文就从简入难,详细的介绍4种二极管整流电路的工作原理。
图1 开关电源内的整流模块
图1为班长在基站内拍摄的开关电源中的整流模块。
整流模块对于通信机房来说异常重要,所以都会多配几块,一旦出现故障,其他模块能够瞬间接力!
图2 电路1:单相半波整流电路
首先,我们来看单相半波整流电路。
电路图如图2。在本文中,我们把图2称作为电路1。
B为变压器的符号,输入交流电。
u为变压器副边的输出电压,为u=√2Usinωt,其中U为交流电压的有效值。
〔不知道什么有效值?参见附录1〕
D为二极管的符号,RL为负载电阻,其两端电压为输出电压uo,输出电流为io。
当副边电压u处于π>ωt>0阶段时,此时副边a端电压大于b端电压,二极管正向导通,输出电流io方向为:
a→D→RL→b
如果忽略二极管D的正向导通电压,那么负载RL两端的电压,也是输出电压uo,就等于副边电压u。
图3 电路1输出波形
参见图3。
当副边电压u处于π>ωt>0阶段时,uo=u,二极管两端电压uD=0;
当副边电压u处于2π>ωt>π阶段时,此时a端电压小于b端电压,二极管反向截止,电路无法导通,电流为0,二极管D两端为反向电压;
此时,uo=0,io=0,uD=u;
以此类推,后续的波形变化与[0,2π]范围内一致。
输出电压uo方向都在随着时间改变,它已经是一个「直流电」了,那么它的的直流电压值为多少呢?
我们可以取其在一个周期[0,2π]内的平均值。计算方法如下:
uo约等于0.45倍的U,U为副边电压的有效值。
uo=0.45U;
io=0.45U/RL;
二极管通过的平均电流iD=io;
二极管承受的最高反向工作电压√2U;
「有了二极管的最大电流与最高反向电压,我们可以选择二极管的型号」
「举个例子(来源网络)」
»»»有一个单相半波整流电路,RL=750Ω,变压器副边变压U=20V,那么求:输出直流电压u0和电流i0,并选用二极管。
➥根据公式,uo=0.45U=0.45x20=9V;
io=uo/RL=9/750=0.012A=12mA;
二极管:iD=io=12mA;最高反向电压Udrm=√2U=√2x20=28.2V;
根据12mA,28.2V的数据,可以查手册,可以选用2AP4(16mA,50V)的型号。通常二极管的反向工作峰值电压比Udrm大一倍左右。
现在我们再来看一下,单相桥式整流电路。
这个电路应用非常广泛,我们经常可以看到。
图4 电路2:单相桥式整流电路
图4(1)和图2中的电路1相比,多了一个二极管D3,但不影响二极管在副边电压u的上半周导通,所以这个电路和电路1基本相同。
图4(2)和图2中的电路1相比,也是2个二极管,只不过全部“调转方向”,此时二极管在副边电压u的下半周导通。
把图4(1)和图4(2)合并,我们就可以在电压u的整个周期内实现导通,负载RL自然而然就在整个周期内有电流流过,效率是不是提高了很多啊。
所以,图4(3)就叫做单相桥式整流电路,它的输出波形如图4(4)所示。
当副边电压u处于π>ωt>0阶段时,二极管D1D3导通,输出电流io方向为:
a→D1→RL→D3→b
当副边电压u处于2π>ωt>π阶段时,二极管D2D4导通,输出电流io方向为:
b→D2→RL→D4→a
此时,输出直流电压值uo就是2x0.45U=0.9U〔读者可以自行理解或者证明〕
输出电流io=uo/RL=0.9U/RL;
二极管的参数:
由于每两个二极管串联,导通半个周期,所以iD=½io=0.45U/RL;最大反向电压Udrm等于交流电压的最大值,即=√2U
「举个例子(来源网络)」
»»»已知负载电阻RL=80Ω,负载电压uo=110V,如今采用单相桥式整流电路交流电源电压380V。求:1、选用晶体二极管;2、求整流电压器的变比及容量;
➥io=uo/RL=110/80=1.4A
二极管的电流:
iD=½io=0.7A;
变压器副边的电压有效值U:
U=uo/0.9=110/0.9=122V;
变压器副边的实际电压,大约要高出10%,所以U=122x1.1=134V
二极管电压:
Udrm=√2U=√2x134=189V,可以选用2CZ11C(1A,300V)
变压器的变比:
K=380/134=2.8;
变压器的副边电流:
I=io/0.9=1.4/0.9=1.55A;
变压器的容量:S=UI=134x1.55=208VA;
可以选用BK300(300VA)的变压器。
单相半波整流电路,线路比较简单,整流元件只有1个二极管,直流电压比较低,只有0.45倍的输入电压,脉动程度比较大,只有在电源电压的正半轴才有波形。
全波整流电路的波形,正负半轴有相同的直流波形,是半波整流的2倍,因此应用相对广泛。
现在我们来看电路3,单相全波整流电路。
图5 电路3:单相全波整流电路
这个电路只有2个二极管,却在变压器的副边做了一定的“手脚”。
从中间抽出一根线,我们叫做中心抽头。
这样的话,整个副边电压就被分成两个部分,u1和u2
u1和u2所属的线圈在一起,那么我们认为它们大小相等,频率相同,但是相位相反的。
如果ab两端电压Uab=2√2U,那么a点电位可以是√2U,o点电位可以为0,b点电位可以为-√2U。
所以,u1=uao=√2U,u2=-uob=-√2U。
现在令u1=√2Usinωt,u2=√2Usin(ωt-π)
当u1处于π>ωt>0阶段时,u2电压为负半轴,u1电压为正半轴,二极管D1导通,输出电流io方向为:
a→D1→RL→o
负载上的输出电压uo=u1,二极管D2两端的反向电压uD2是这个整个变压器的副边绕组,即2√2U。
当u1处于2π>ωt>π阶段时,u2电压为正半轴,u1电压为负半轴,二极管D2导通,输出电流io方向为:
b→D2→RL→o
负载上的输出电压uo=u2,二极管D1两端的反向电压uD1是这个整个变压器的副边绕组,即2√2U。
电量关系:
输出电压uo=0.9U,这与单相桥式整流电路一样。
输出电流io=uo/RL=0.9U/RL
二极管电流iD=io/2
二极管最大反向电压Udrm=2√2U
这种整流电路,由于二极管承受的反向电压比较高,所以应用范围没有单相桥式应用广泛。它的优点是使用二极管数目比较少。
三相桥式整流电路
图6 电路4:三相桥式整流电路
相比上面所说的单相,三相的含义就是多出两路电压。
图6中可以看做3个变压器,输入为A-B-C,输出为a-b-c,具体电压如图7
图7 三相电压
现在,我们来看下输出的波形。
当0到t1时刻,此时uc的值比较大,ub的值最小。那么此时二极管D5与D4导通。电流方向:
c+→D5→RL→D4→b-
此时uc最高,ub最低,负载两端的电压等于cb之间的电压,即uo=ucb
当t1到t2时刻,此时uc开始小于ua,ua的电压值大了起来,ub仍然是最小的。此时二极管D1和D4导通。
a+→D1→RL→D4→b-
此时ua最高,ub最低,负载两端的电压等于ab之间的电压,即uo=uab
图8 电路4的输出波形
后面依次类推。
图7看起来很丑,也可以画的好看些,就是图9。
图9与图7是一模一样的哦。
这也是大家常见的经典电路,把二极管换成晶闸管、三极管、IGBT,或者加电容与电感,都可以变形出很多电路。
图9 三相桥式整流电路
电量关系
输出电压uo=2.34U,U为副边电压的有效值。
〔为什么是2.34倍呢,还是在t1时刻求积分,感兴趣的同学可以自行计算哦〕
输出电流io=uo/RL=2.34U/RL
二极管中电量:
电流iD=⅓io=0.78U/RL
二极管承受的最大反向电压,线电压的最大值,UDRM=√3Um=√3x√2U=2.45U
总结
我们今天讲了四种典型的整流电路,现在我将其电路特点用一张图与表格归纳出来。
图10 4种整流电路
从表格1中,我们可以看出三相桥式整流电路输出电压电流最大,因此其广泛适用于需要大功率电路的场合。
表1 4种整流电路的电量参数
以上都是一些理论推导,那么这些电路、波形到底是不是真的如此?
下面我们眼见为实!
打开电路仿真软件,班长这里就先仿真最简单的的单相半波电路。按照图2连接好电路图:
图11 半波整流电路的仿真
图111中交流电源频率50Hz,红色的波形为交流电压波形;蓝色的波形为负载RL输出电压波形。与上文分析结果一致。
〔对仿真软件感兴趣的同学可以私信获取〕
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