众所周知,我国电力生产、传输和供电方式基本采用为交流50Hz的三相制,也就说,我们日常用电的电源进线的电是交流电。
但实际上很多电子产品、电气设备的控制部分电路等都要用到直流电,例如漏电保护器的驱动部分、钳形电流表内部、变频器、LED的驱动电路等。那么,我们该如何将电源的交流电变成直流电呢?
将交流电转为直流电的电能转换形式称为整流(AC/DC变换),所用电器称为整流器,对应电路称为整流电路。而整流桥就是整流器的一种,另外,可以说整流二极管是最简单的整流器。然而,整流桥是如何实现将交流电变为直流电的呢?为了让大家快速理解,我将从最简单的整流二极管开始讲解。
一、基于1个整流二极管的整流电路
二极管具有单向导电性,所以其管脚要区分正负极(阴阳极),左边为整流二极管,灰色环一端为阴极(负极),右边为LED二极管,短脚对应阴极。
所谓单向导电性,是指二极管电流只能从阳极经管流到阴极,此时阳极电位要比阴极电位高,这就是二极管的正向导通。若二极管的阴极电位比阳极高,二极管将不会有电流流过,相当于开路,这就是二极管的反向截止。
二极管正向导通时,有时候会把管压降给忽略掉,即把二极管作短路处理,实际上二极管两端是存在压降的,一般为零点几伏。
基于二极管的单向导电性,其整流电路如图1-3所示,只需一个二极管就可以实现将交流电变成直流电。输入电压为正弦交流电,其波形分为正负两半。输入电压虽然是交流电,但也需要标出正负,当然,这个正负并不指该电压实际方向,而是参考方向。只有给出参考方向才能画出它的波形。
输入电压的参考方向是上“+”下“-”,结合波形,可以得出,在波形的正半周(参考方向与实际方向一致,所以为正),输入电压的实际方向刚好为上“+”下“-”,此时二极管的阳极接在输入电压的“+”(高电位),所以二极管正向导通,忽略管压降,此时负载电阻的电压完全等于输入电压,波形。
负载电阻的电压为正,这是因为其参考方向(上“+”下“-”)与实际方向(也是上“+”下“-”)一致,若把参考方向设为上“-”下“+”,电阻电压将为负值,但不管怎样,电阻电压的实际方向都不会改变。
当输入电压来到负半周,此时电压实际方向为上“-”下“+”,二极管阳极接在低电位上,所以反向截止,电流为0,所以电阻电压为0。
依次类推,电阻电压波形只有输入电压的一半,所以由一个二极管组成的整流电路被称为半波整流电路。
由于半波整流失去了输入电压的一半波形,所以效率很低,在此基础上增加3个二极管,就可以实现全波整流,这就是整流桥。
二、由4个二极管组成的整流桥电路
整流桥可以有4个独立的二极管连接而成,也可以利用半导体材料将其制作在一起成为整流桥元件。
为了便于讲解,我们以4个二极管组成的整流桥为例,输入电压依然是正弦交流电,分正负半波,接下来我将针对两个不同半波进行分析。
整流桥有4个接线端子,其中两个接交流输入(uS ),另外两个接直流输出(uR )。输入端电压方向和大小作周期变化,输出端电压方向保持不变,仅大小变化。
1、当输入电压为正半周时,二极管D1、D3正向导通,二极管D2、D4反向截止。
当输入电压波形处于正半周时,表明其实际方向恰好是输入电压上“+”下“-”,此时二极管D1阳极处于高电位,所以正向导通,但二极管D4阴极接高电位,所以反向截止。同理,二极管D3阴极接在低电位上,所以正向导通,但二极管D4阳极接在低电位上,所以反向截止。
依次,整个电路的连通情况如图1-6,电流沿负载电阻产生的实际电压为“+”下“-”,与其参考方向一致,波形为正,忽略管压降,可以得出输出电压大小等于输入电压。
2、当输入电压为负半周时,二极管D2、D4正向导通,二极管D1、D3反向截止。
当输入电压波形处于负半周时,表明其实际方向与参考方向相反,即此时输入电压上实际方向为上“-”下“+”,此时二极管D1阳极处于低电位,所以反向截止,但二极管D4阴极接低电位,所以正向导通。同理,二极管D3阴极接在高电位上,所以反向截止,但二极管D4阳极接在高电位上,所以正向导通。
依次,整个电路的连通情况,电流沿负载电阻产生的实际电压仍然为“+”下“-”,与其参考方向一致,波形为正,忽略管压降,可以得出输出电压大小等于输入电压。
输出电压虽然为直流,但不是恒定直流,而是脉动波,这显然不是我们所需的直流电,所以于此基础上,在负载两端接一个电容,对输出电压进行滤波,从而改善输出电压的波形。
电容的容量越大,其波形越平缓,利用电容的充放电使输出电压的脉动幅度变小。这就是二极管的全桥整流电路,你明白了吗?
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