單相橋式整流電路基本原理與整流器件的合理選擇

1、單相橋式整流電路基本原理與整流器件的合理選擇古亮亮（上海交通大學，上海）摘要：本文介紹了單相全波整流中最常用的單相橋式整流電路的結(jié)構(gòu)及工作原理?？偨Y(jié)并計算了該整流電路的主要參數(shù)。通過與常用單相半波整流電路和變壓器中心抽頭全波整流電路的比較，總結(jié)了單相橋式整流電路的幾個優(yōu)點。給出了根據(jù)電路的主要參數(shù)合理選擇電路元件的方法。關(guān)鍵詞：單相橋式整流電路；整流電壓；整流電流；二極管選擇；電力電子技術(shù)1 引言在電能的生產(chǎn)和傳輸上，目前是以交流電為主。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而在許多場合，例如電解、蓄電池的充電、直流電動機等，需要用直流電。要得到直流電，除了直流發(fā)電機外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)

2、生直流電12。這個方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。本文就是介紹單相整流電路中的一種基礎(chǔ)的、優(yōu)點較多的單相橋式整流電路，首先給出其電路構(gòu)成及基本工作原理，然后計算其應(yīng)用中的幾個重要參數(shù)，最后通過簡單的比較列出該電路的優(yōu)缺點，并給出電路元件的選擇方法。2 單相橋式整流電路的結(jié)構(gòu)及工作原理123單相橋式整流電路如圖1所示，圖中T為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓變成整流電路要求的交流電壓u ，RL是要求直流供電的負載電阻，四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。圖2是其電路簡化畫法。單相

3、橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡單起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。同時假設(shè)整流變壓器二次側(cè)的電壓為：其波形如圖3所示。原理分析:如圖1，在變壓器二次側(cè)電壓u的正半周，其極性為上正下負，即a點電勢高于b點，此時二極管D1、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器。于是在負載電阻RL上得到一個極性為上正下負的半波電壓uo。在導(dǎo)通時二極管的正向壓降很小，可以忽略不計，因此，可認為uo的這半個波和u的正半波是相同的，如圖4中的段所示。其電流通路可用圖1中實線箭頭表示。在的u的負半周，

4、其極性為上負下正，即a點電勢低于b點，此時二極管D2、D4正向?qū)?，D1、D3反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器。同理，在負載上得到一個半波電壓，極性依舊是上正下負，與前面得到的相同，如圖4中的段所示。其電流通路如圖1中虛線箭頭所示。圖1 單相橋式整流電路圖2 單相橋式整流電路簡化畫法3圖3 整流變壓器二次側(cè)電壓u的波形圖4 整流電路相應(yīng)的輸出電壓與電流的波形綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的

5、下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓（脈動電壓即極性一定但大小變化的單向電壓）。根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖4。由圖可見，通過負載RL的電流iO以及電壓uO的波形都是單方向的全波脈動波形。3 單相橋式整流的主要參數(shù)及其計算1根據(jù)以上分析，單相橋式整流得到單向脈沖電壓，對于這種電壓，常用一個周期的平均值（非有效值）來說明它的大小。單相橋式全波整流電壓的平均值 （1） 式中 U為變壓器二次側(cè)電壓u的有效值。式 (1 表明單相橋式全波整流電壓與交流電壓有效值之間的關(guān)系。由此得出整流電流（即負載電流）的平均值 （2） 在以為周期的每一個周期內(nèi)，每兩個二極管串聯(lián)導(dǎo)電時間只有

6、半個周期，因此，每個二極管中流過的平均電流只有負載電流的一半，即 （3） 該電路中還有一個不可忽視的參數(shù)，就是二極管反偏截止時所承受的最高反向電壓。從圖 1可得，當二極管D1和D3導(dǎo)通時，如忽略二極管的正向壓降（將其視為導(dǎo)線），處于截止狀態(tài)的D2和D4陰極電勢就等于a點的電勢，陽極電勢就等于b點的電勢。所以，處于截止狀態(tài)的二極管所承受的最大反向電壓就是變壓器二次側(cè)電壓的最大值 ，即 （4） 流過負載的脈動電壓中含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓作傅立葉分析，分析結(jié)果為4 （5）根據(jù)上式可得，此諧波分量中二次諧波幅度最大，是決定整流效果的主要因素?？梢来硕x脈動系數(shù)S，S為二次諧波幅值與平均值

7、的比值4 （6）在一定程度上，可以根據(jù)S的大小來衡量某一整流電路的整流效果。4 單相橋式全波整流的優(yōu)點與單相半波整流電路相比，單相橋式整流電路克服了半波整流只能利用電源的半個周期、同時整流電壓的脈動比較大的缺點，同時還降低了流過每只二極管的平均電流，增大了平均輸出電壓。與變壓器中心抽頭式的單相全波整流相比，單相橋式整流電路克服了其中心抽頭變壓器必須對稱，每個線圈只有一半時間通過電流，變壓器利用率不高的缺點。同時橋式整流還降低了二極管承受的最大反壓。綜上所述，橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到

8、了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。電路的缺點是二極管用得較多，但目前市場上已有整流橋堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中QL62AL的額定電流為2A，最大反向電壓為25V1000V。故單相橋式整流電路常畫成圖2所示的簡化形式。35 整流器件的合理選擇和運用二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負載大小加以選擇。如選擇不當，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費。5具體到單相橋式全波整流電路，二極管選擇時可根據(jù)式（3）和式（4） ，考慮二極管的最大整流電流和反向工作峰值，這兩項要分別高于式中的和,但不能超出太多，有10%3

9、0%的余量即可。另外，在高電壓或大電流的情況下，如果手頭沒有承受高電壓或整定大電流的整流元件，可以把二極管串聯(lián)或并聯(lián)起來使用。（1）二極管并聯(lián)的情況：兩只二極管并聯(lián)，則每只分擔電路總電流的一半；三只二極管并聯(lián)，則每只分擔電路總電流的三分之一?？傊?，有幾只二極管并聯(lián)，流經(jīng)每只二極管的電流就等于總電流的幾分之一。但是，在實際并聯(lián)運用時，由于各二極管特性不完全一致，不能均分所通過的電流，會使有的管子因負擔過重而燒毀。因此需在每只二極管上根據(jù)實際情況相應(yīng)地串聯(lián)一只阻值相同的小電阻器，使各并聯(lián)二極管流過的電流接近一致。這種均流電阻R一般選用零點幾歐至幾十歐的電阻器。電流越大，R應(yīng)選得越小。5（2）二極管

10、串聯(lián)的情況：顯然在理想條件下，有幾只管子串聯(lián)，每只管子承受的反向電壓就應(yīng)等于總電壓的幾分之一。但因為每只二極管的反向電阻不盡相同，會造成電壓分配不均：內(nèi)阻大的二極管，有可能由于電壓過高而被擊穿，并由此引起連鎖反應(yīng)，逐個把二極管擊穿。因此，在二極管電路中并聯(lián)均壓電阻就顯得尤為重要。在二極管上并聯(lián)電阻R，可以使電壓分配均勻。均壓電阻要取阻值比二極管反向電阻值小的電阻器，各個電阻器的阻值要相等。5當然，最好還是合理使用符合要求的元器件，因為一般情況下串并聯(lián)組合的性能會低于標準元器件。6 結(jié)論本文分析了單相橋式全波整流電路的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了分析二極管整流電路的一些基本思路和方法。通過計算總結(jié)了整流電路的幾個基本參數(shù)，這種方式也可運用于其他整流電路的參數(shù)分析。同時還將單相橋式整流電路與基本的單相半波整流電路、變壓器中心抽頭式全波整流電路作了簡單比較，雖然沒有對后兩者的電路進行