全橋整流器簡(jiǎn)介

全波橋式整流器將交流輸入電壓轉換為直流電源電壓。了解此重要電路的操作。

當科學(xué)家和工程師第一次制定分配電力的計劃時(shí)，他們沒(méi)有切實(shí)可行的系統來(lái)增加或降低直流輸電電壓。相比之下，交流傳輸電壓很容易通過(guò)變壓器升高或降低。因此，交流電成為世界范圍內的電力傳輸標準。

交流電壓完全適合燈泡和電機，這兩種類(lèi)型的負載在電力早期是主要關(guān)注的問(wèn)題。我懷疑，喬治·威斯汀豪斯，也許是歷史上最有影響力的交流配電支持者，永遠無(wú)法想象交流電壓會(huì )給數字電子時(shí)代的工程師帶來(lái)多大的不便。

我們仍然需要燈泡和電機，但我們的生活中也充滿(mǎn)了需要穩定直流電源電壓的設備。同時(shí)，盡管引入了高壓直流（HVDC）電力系統，但交流輸電仍然占主導地位。因此，交流到直流的轉換——也稱(chēng)為整流——是電氣工程的一項基本任務(wù)。

從廣義上講，執行整流的電路是電氣工程的基本組件。在本文中，我們將討論這些組件中最廣泛使用的：全波橋式整流器，也稱(chēng)為全橋整流器或簡(jiǎn)稱(chēng)橋式整流器。為了理解是什么讓這個(gè)電路如此有用，我們首先需要了解整流——全波和半波——是如何工作的。

二極管半波整流

整流一詞源自拉丁語(yǔ)，意思是“整流”。因此，整流電路將電流向兩個(gè)方向移動(dòng)，并將其“整流”，使其僅向一個(gè)方向移動(dòng)。二極管的定義特征是，它允許電流在一個(gè)方向（陽(yáng)極到陰極）上相當自由地流動(dòng)，并強烈反對電流在另一個(gè)方向上流動(dòng)（陰極到陽(yáng)極），所以聽(tīng)到所有半導體二極管都屬于整流器的大類(lèi)，也許并不奇怪。

整流交流電壓只需要一個(gè)二極管，如圖1所示。請注意，圖右側的電阻器代表負載電路。

LTspice實(shí)現了單二極管整流電路。

圖1。單二極管整流電路。圖片由Robert Keim提供

當整流器電路的輸入電壓為正時(shí)，電流流過(guò)二極管，并在負載電阻器上產(chǎn)生電壓。當輸入電壓為負，需要電流沿相反方向流動(dòng)時(shí)，二極管的功能就像開(kāi)路——因為沒(méi)有電流流過(guò)電阻器，所以不會(huì )產(chǎn)生電壓，并且電阻器的兩個(gè)端子都處于0V接地電位。結果是圖2中的橙色直流波形。

LTspice圖顯示AC輸入波形的半波整流。

圖2:單個(gè)二極管將綠色交流波形轉換為橙色直流波形。圖片由Robert Keim提供

將整流波形描述為“DC”似乎相當慷慨，確實(shí)我們永遠不想將其用作電子電路的DC電源電壓。然而，嚴格地說(shuō)，它確實(shí)是一個(gè)直流波形。盡管電壓波動(dòng)劇烈，但其極性永遠不會(huì )改變，這意味著(zhù)波形產(chǎn)生的電流將始終朝著(zhù)同一方向移動(dòng)。

盡管簡(jiǎn)單且至少在一定程度上有效，但單二極管方法有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)——源波形的正半部分被保留，但負半部分被丟棄。這被稱(chēng)為半波整流，它會(huì )在輸出波形中產(chǎn)生大的間隙。如果我們能找到一種方法來(lái)整流輸入信號而不浪費一半，那會(huì )更好，而這正是全波整流器所做的。

四個(gè)二極管的全波整流

雖然使用兩個(gè)二極管和一個(gè)中心抽頭變壓器可以實(shí)現全波整流，但這種整流器往往比全橋整流器體積更大、成本更高。應用程序的功率越高，包括變壓器就越大、越昂貴。

全橋整流器不需要兩個(gè)二極管和一個(gè)變壓器，而是需要四個(gè)二極管，以使正輸入電壓和負輸入電壓都能沿相同方向驅動(dòng)電流通過(guò)負載。圖3顯示了采用經(jīng)典菱形配置的全橋整流器的四個(gè)二極管。

全波橋式整流器，四個(gè)二極管呈菱形配置。

圖3。菱形配置是全波橋式整流器的經(jīng)典代表。圖片由Tony R.Kuphaldt提供

在該電路中，源極連接到陰極與陽(yáng)極相遇的節點(diǎn)；輸出取自連接兩個(gè)陽(yáng)極或兩個(gè)陰極的節點(diǎn)。正極和負極電源電壓都將導致電流從負載電阻器的正極端子流到負極端子。

使用圖4中的LTspice實(shí)現，讓我們更深入地了解四二極管排列是如何實(shí)現全波整流的。

LTspice實(shí)現了全橋整流器。

圖4。全橋整流器的LTspice實(shí)現。圖片由Robert Keim提供

如示意圖所示，輸入源的負極端子是模擬器的參考節點(diǎn)，輸出電壓必須從“整流+”節點(diǎn)到“整流-”節點(diǎn)進(jìn)行差分測量。

由于輸入源和整流輸出不共享一個(gè)共同的參考電勢，如果你關(guān)注電壓，這個(gè)電路的操作可能會(huì )有點(diǎn)混亂。關(guān)鍵是要從電流的角度來(lái)思考，電流必須來(lái)源于電源并返回電源，同時(shí)始終向下流經(jīng)負載電阻器。

只要電流向下流過(guò)負載，負載兩端的電壓——或者換句話(huà)說(shuō)，提供給負載的電壓——就會(huì )是正的。圖5中的綠色箭頭顯示了電源電壓為正時(shí)的電流。

全橋整流器電流在輸入波的正半周期間流動(dòng)。

圖5。全橋整流器電流在輸入波的正半周期間流動(dòng)。圖片由Robert Keim提供

然而，當源極電壓為負時(shí)，源極符號的下端子的電壓高于上端子的電壓。因此，電流從下端開(kāi)始，流向上端，如圖6所示。

全橋整流器電流在輸入波的負半周期間流動(dòng)。

圖6。全橋整流器電流在輸入波的負半周期間流動(dòng)。圖片由Robert Keim提供

結果，如圖7的電壓圖所示，是一個(gè)整流波形，它保留了輸入波的正半周期，并反轉了負半周期。

示出AC輸入信號的全波整流的LTspice圖。

圖7。圖4中的全橋整流器將綠色交流波形轉換為橙色直流波形。圖片由Robert Keim提供

在全橋整流器完成工作后，我們可以通過(guò)使用電容器來(lái)平滑波動(dòng)的直流信號，然后使用線(xiàn)性調節器來(lái)穩定平滑的信號，從而產(chǎn)生可用的直流電源電壓。

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我們現在已經(jīng)介紹了四個(gè)二極管的巧妙互連如何進(jìn)行交流到直流轉換的基本知識。您可以通過(guò)閱讀All about Circuits網(wǎng)站上提供的帶輸出濾波的全波橋式整流器項目來(lái)了解更多關(guān)于全橋整流器的信息，如果您愿意，還可以構建該項目。