单相全波不同式整流器案例

整流是通过固态半导体器件将交流电源连接到连接的直流负载的过程

整流将振荡的正弦交流电压源转换为恒流直流电压源通过二极管，晶闸管，晶体管或转换器。该整流过程可以采用多种形式，具有半波，全波，不受控制和完全可控的整流器，将单相或三相电源转换为恒定的DC电平。在本教程中，我们将介绍单相整流及其所有形式。

整流器是交流电源转换的基本构建模块之一，半波或全波整流通常由半导体二极管执行。二极管允许交流电流在正向流过它们，同时阻止电流反向流动，形成固定的直流电压电平，使其成为整流的理想选择。

然而，已经二极管整流的直流电流是不像电池电源那样纯净，但由于交替供电，电压会随着叠加在其上的波纹形式产生电压变化。

但是对于单相整流，我们需要一个固定电压和频率的交流正弦波形，如图所示。

交流正弦波形

AC波形通常有两个与之相关的数字。第一个数字表示波形沿x轴的旋转程度，交流发电机从该轴旋转0到360 o 。该值被称为周期（T），其被定义为完成波形的一个完整周期所花费的间隔。周期以度，时间或弧度为单位进行测量。正弦波周期与频率之间的关系定义为： T = 1 / f 。

第二个数字表示沿着该值的电流或电压值的幅度。 y轴。此数字给出从零到某个峰值或最大值（A MAX ，V MAX 或I MAX ）的瞬时值，表示正弦波最大再次回到零之前的幅度。对于正弦波形，有两个最大值或峰值，一个用于正半周，一个用于负半周。

但除了这两个值之外，我们还有两个值。用于整改目的。一个是波形平均值，另一个是RMS值。通过在一个半周期内加上电压（或电流）的瞬时值来获得波形的平均值，并且发现为：0.6365 * V P 。请注意，对称正弦波的一个完整周期内的平均值为零。

正弦波的均方根或均方有效值（正弦波是正弦波的另一个名称）提供相同的值电阻的能量与相同值的直流电源一样。正弦电压（或电流）的均方根（rms）值定义为：0.7071 * V P 。

单相整流器

所有单相整流器都使用固态器件作为主要的AC-DC转换器件。单相不受控制的半波整流器是最简单且可能最广泛使用的用于小功率电平的整流电路，因为它们的输出受到连接负载电抗的严重影响。

对于不受控制的整流电路，半导体二极管是最常用的器件，它们被安排用于创建半波或全波整流器电路。使用二极管作为整流器件的优点是，通过设计，它们是具有内置单向pn结的单向器件。

该pn结将双向交流电源转换为单向通过消除一半的电源来实现单向电流。根据二极管的连接，它可以例如在正向偏置时通过AC波形的正半部，而在二极管反向偏置时消除负半周。

反之则是通过消除正半波或波形并通过负半波也是如此。无论哪种方式，单个二极管整流器的输出仅由360 o 波形的一半组成，如图所示。

半波整流

上面的单相半波整流器配置通过交流电源波形的正半部分，负半部分被消除。通过反转二极管的方向，我们可以通过负半部并消除AC波形的正半部分。因此，输出将是一系列正脉冲或负脉冲。

因此，在每个周期的一半时间内，没有电压或电流施加到连接的负载，R L 。换句话说，负载电阻两端的电压R L 仅由半波形组成，无论是正波形还是负波形，因为它只在输入周期的一半内工作，因此名称为半波整流器

希望我们可以看到二极管允许电流在一个方向上流动，只产生一个由半周期组成的输出。这种脉动输出波形不仅在每个周期都变化为ON和OFF，而且仅在50％的时间内出现，并且在纯电阻负载下，这种高电压和电流纹波内容达到最大值。

该脉动DC意味着在负载电阻上降低的等效DC值R L 因此仅为正弦波形平均值的一半。由于波形正弦函数的最大值为1（sin（90 o ）），因此在正弦波的一半上取得的平均或平均DC值定义为：0.637x最大振幅值。 / p>

因此在正半周期期间，A AVE 等于0.637 * A MAX 。然而，由于二极管的整流消除了负半周期，因此在此期间的平均值将为零。

正弦波平均值

因此对于半波整流器，50％的时间平均值为0.637 * A MAX 和50％当时没有。如果最大振幅为1，则在负载电阻上看到的平均值或DC值相等，R L 将为：

因此，半波整流器的电压或电流平均值的相应表达式如下：

V AVE = 0.318 * V <子> MAX

<跨度> I <子> AVE = 0.318 * I MAX

请注意，最大值A MAX 是输入波形的最大值，但我们也可以使用其RMS或均方根值来查找等效的DC输出单相半波整流器的值。为了确定半波整流器的平均电压，我们将RMS值乘以0.9（形状因子）并将乘积除以2，即乘以0.45得出：

V <子> AVE = 0.45 * V <子> RMS

<跨度> I <子> AVE = 0.45 * I RMS

然后我们可以看到半波整流电路将AC波形的正半部或负半部转换为脉冲直流输出，其值为0.318 * A MAX 或0.45 * A RMS ，如图所示。

半波整流器平均电压

整流示例No1

单相半波整流器连接到50V RMS 50Hz AC电源。如果整流器用于提供150欧姆的电阻负载。计算负载两端产生的等效直流电压，负载电流和负载消耗的功率。假设理想二极管特性。

首先我们需要将50伏RMS转换为峰值或最大电压等效值。

a）最大电压幅度，V M

V M = 1.414 * V RMS = 1.414 * 50 = 70.7伏

b）等效直流电压，V DC

V DC = 0.318 * V M = 0.318 * 70.7 = 22.5伏

c）负载电流，I L

I L = V DC ÷R L = 22.5 / 150 = 0.15A或150mA

d）负载功耗，P L

P L = V * I或I 2 *RL=22.5*0.15=3.375W≅3.4W

在练习中，V DC <由于整流二极管上的正向偏压0.7伏电压降，因此/ sub>会略微减少。

单相半波整流器的主要缺点之一是半部分没有输出如我们所见，可用的输入正弦波形导致低平均值。解决此问题的一种方法是使用更多二极管来产生全波整流器。

全波整流

与之前的半波整流器不同，全波整流器利用输入正弦波形的两半来提供单向输出。这是因为全波整流器基本上由连接在一起的两个半波整流器组成，以便为负载供电。

单相全波整流器通过使用布置成桥式布置的四个二极管来实现这一点。如前所述，波形的正半部分反转正弦波的负半部分以产生脉动直流输出。即使整流器的电压和电流输出是脉动的，它也不会使用完整的100％输入波形反向，从而提供全波整流。

单相全波桥式整流器

这种二极管的桥接配置提供全波整流，因为四个二极管中的两个都是向前的有偏见，而另外两个是反向偏见。因此，在传导路径中存在两个二极管而不是用于半波整流器的单个二极管。因此，由于两个正向电压降， V IN 和 V OUT 之间的电压幅度会有差异串联连接的二极管。和以前一样，为了简化数学运算，我们假设理想二极管。

那么单相全波整流器如何工作。在 V IN 的正半周期间，二极管 D 1 和 D 4 正向偏置，而二极管 D 2 且 D 3 反向偏置。然后，对于输入波形的正半周期，电流沿着以下路径流动： D 1 - A - R L - B - D 4 并返回电源。

在 V IN 的负半周期内，二极管 D 3 且 D 2 正向偏置，而二极管 D 4 且 D 1 是反向偏置的。然后，对于输入波形的负半周期，电流沿着以下路径流动： D 3 - A - R L - B - D 2 并返回电源。

在这两种情况下，无论输入波形的极性如何，输入波形的正半周和负半周都会产生正输出峰值。当前， i 总是在相同的方向上流过负载， R L 在点或节点之间 A 和<跨度>乙 。因此，源极的负半周期在负载时变为正半周期。

因此无论哪一组二极管导通，节点 A 总是比节点乙 。因此，负载电流和电压是单向的或DC给出以下输出波形。

全波整流器输出波形

虽然此脉动输出波形使用100％的输入波形，但其平均直流电压（或电流）不是相同的值。我们从上面记得，超过正弦波一半的平均或平均DC值定义为：0.637x最大振幅值。然而，与上述半波整流不同，全波整流器每个输入波形有两个正半周，给出了不同的平均值，如图所示。

全波整流器平均值

在这里我们可以看到，对于全波整流器，每个正峰值的平均值为0.637 * A MAX 并且由于每个输入波形有两个峰值，这意味着有两个平均值相加在一起。因此，全波整流器的DC输出电压是前一个半波整流器的两倍。如果最大振幅为1，则在负载电阻上看到的平均值或DC值相等，R L 将为：

因此，全波整流器的电压或电流平均值的相应表达式如下：

V AVE = 0.637 * V <子> MAX

I AVE = 0.637 * I MAX

和以前一样，最大值A MAX 是输入波形的，但我们也可以使用其RMS或均方根值来找到单相全波整流器的等效DC输出值。为了确定全波整流器的平均电压，我们将RMS值乘以0.9得出：

V AVE = 0.9 * V RMS

我 AVE = 0.9 *我 RMS

然后我们可以看到全波整流电路将交流波形的正半部或负半部转换为脉冲直流输出，其值为0.637 * A MAX 或0.9 * A RMS 如图所示。

全波整流器平均电压

整流示例No2

四个二极管用于构建单相全波桥式整流器电路，需要在220伏直流电压下提供1kΩ的纯电阻负载。计算所需输入电压的RMS值，从电源汲取的总负载电流，每个二极管通过的负载电流以及负载消耗的总功率。假设理想的二极管特性。

a）整流器电源电压，V RMS

V DC = 0.9 * V RMS 因此：V RMS = V DC ÷0.9 = 220 / 0.9 = 244.4 V RMS

b）负载电流，I L

I L = V DC ÷R L = 220/1000 = 0.22A或220mA

c）每个二极管通过的负载电流，I D

负载电流由每个周期的两个二极管提供，因此：

I D = I L ÷2 = 0.22 / 2 = 0.11A或110mA

d）通过负载消耗功率，P L

P L = V * I或I 2 * R L = 220 * 0.22 = 48.4W

全波半控桥式整流器

全波整流与简单的半波整流器相比具有许多优点，例如输出电压更加一致，具有更高的平均输出电压，输入频率由整改过程，需要较小的电容e值平滑电容器，如果需要的话。但我们可以通过在设计中使用晶闸管代替二极管来改进桥式整流器的设计。

通过用晶闸管替换单相桥式整流器中的二极管，我们可以创建一个相控AC-直流整流器，用于将恒定的交流电源电压转换为受控的直流输出电压。半控制或完全控制的相控整流器在可变电压电源和电机控制中有很多应用。

单相桥式整流器被称为“不受控制的整流器”，即施加的输入电压直接传递到输出端子，提供固定的平均DC等效值。要将不受控制的桥式整流器转换为单相半控整流器电路，我们只需要用晶闸管（SCR）替换两个二极管，如图所示。

半控桥式整流器

在半控整流器配置中，使用两个晶闸管和两个二极管控制平均直流负载电压。正如我们在关于晶闸管的教程中所学到的，晶闸管仅在其阳极（A）比其阴极（K）更正，并且向其栅极施加触发脉冲时才导通（“导通”状态），（G）终奌站。否则它保持不活动状态。

我们还了解到，一旦“接通”，晶闸管仅在其栅极信号被移除且阳极电流降至保持电流的晶闸管以下时再次“关闭”，I H ，因为交流电源电压反向偏置它。因此，在交流电源电压通过阳极的零电压交叉后，将施加在晶闸管栅极端子上的触发脉冲延迟一段受控的时间或角度（α）。阴极电压，我们可以控制晶闸管何时开始传导电流，从而控制平均输出电压。

半控桥式整流器

在输入波形的正半周期间，电流沿着路径： SCR 1 和D 2 ，然后返回供应。在 V IN 的负半周期内，传导通过 SCR 2 和 D 1 并返回电源。

很明显，顶级组中的一个晶闸管（ SCR 1 或 SCR 2 ）及其相应的二极管来自底部组（ D 2 或 D 1 ）必须一起导通才能使任何负载电流流过。

因此平均输出电压V AVE 取决于触发角包括在半控整流器中的两个晶闸管的α，因为两个二极管是不受控制的，并且每当正向偏置时都通过电流。因此，对于任何栅极触发角，α，平均输出电压由下式给出：

半控整流器平均输出电压

请注意，当α= 1 时，会出现最大平均输出电压，但仍然只有 0.637 * V MAX 与单相非控制桥式整流器相同。

我们可以通过用晶闸管替换所有四个二极管来进一步控制桥的平均输出电压。为我们提供全控制桥式整流器电路。

全控制桥式整流器

单相全控桥式整流器更常见于AC-直流转换器。全控制桥式变换器广泛用于直流电机的速度控制，通过用所示的晶闸管替换桥式整流器的所有四个二极管很容易获得。

全控制桥式整流器

在全控整流器配置中，每半个周期使用两个晶闸管控制平均直流负载电压。晶闸管 SCR 1 和 SCR 4 在正半周期内成对激发，而晶闸管 SCR 3 和 SCR 4 也在负半周期内作为一对一起被触发。在 SCR 1 和 SCR 4 之后，这是180 o 。

然后，在连续导通工作模式期间，四个晶闸管不断地作为交替对切换，以保持平均或等效的DC输出电压。与半控整流器一样，可以通过改变晶闸管触发延迟角（α）来完全控制输出电压。

因此，表示平均直流电压来自单相全控整流器在其连续导通模式下给出如下：

全控整流器平均输出电压

平均输出电压从 V MAX /π变为 -V MAX /π通过分别从π到 0 改变触发角α。因此当α<90 o 时，平均直流电压为正，当α> 90 o 时，平均直流电压是否定的。这是从直流负载到交流电源的功率流。

然后我们在本教程中看到单相整流，单相整流器可采用多种形式将交流电压转换为不受控制的直流电压使用四个晶闸管的单二极管半波整流器到全控制全波桥式整流器。

半波整流器的优点是简单，成本低，因为它只需要一个二极管。然而，由于只有一半的输入信号用于产生低平均输出电压，因此效率不高。

全波整流器比半波整流器更有效，因为它使用两个半波整流器输入正弦波的周期产生更高的平均或等效DC输出电压。全波电桥电路的缺点是需要四个二极管。

相控整流使用二极管和晶闸管（SCR）的组合将AC输入电压转换为受控的DC输出电压。完全可控的整流器在其配置中使用四个晶闸管，而半控整流器使用晶闸管和二极管的组合。

然后无论我们怎么做，将正弦交流波形转换为稳态直流电源称为整流。