二極管的應(yīng)用實(shí)例

一、整流器

整流器是一種將交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流電(DC)的電氣設(shè)備，這一過程稱為整流。整流器有許多用途，包括作為電源的組件和無線電信號的調(diào)幅檢測器(包絡(luò)檢測器)。整流器通常使用固態(tài)二極管制造，但當(dāng)涉及非常高的電壓或電流時(shí)，可以使用其他類型的組件。當(dāng)僅使用單個(gè)二極管來整流交流電時(shí)(通過阻擋波形的負(fù)或正部分)，術(shù)語二極管和術(shù)語整流器之間的區(qū)別只是用途之一。術(shù)語整流器描述了用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的二極管。大多數(shù)整流器電路都包含許多特定排列的二極管，與僅使用單個(gè)二極管相比，可以更有效地將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

1.1 半波整流

在半波整流中，交流波的正半部分或負(fù)半部分通過，而另一半則被阻斷。由于只有一半的輸入波形到達(dá)輸出，因此如果用于功率傳輸，其效率僅為 50%。如圖6.1所示，在單相電源中使用單個(gè)二極管，或在三相電源中使用三個(gè)二極管，可以實(shí)現(xiàn)半波整流。

圖 6.1 使用一個(gè)二極管的半波整流器

在給定正弦輸入的情況下，半波整流器的輸出直流電壓可以用以下理想公式計(jì)算：

1.2 全波整流

全波整流器將輸入波形的正負(fù)兩半轉(zhuǎn)換為其輸出端的單極性(正極或負(fù)極)。通過使用交流波形的兩半，全波整流比半波更有效。

當(dāng)使用沒有中心抽頭次級的簡單變壓器時(shí)，需要四個(gè)二極管，而不是半波整流所需的一個(gè)二極管。以這種方式排列的四個(gè)二極管稱為二極管橋或橋式整流器，如圖 6.2 所示。橋式整流器還可用于將未知或任意極性的直流輸入轉(zhuǎn)換為已知極性的輸出。在電子電話或其他電話設(shè)備中，兩條電話線上的直流極性未知，通常需要這樣做。此外，還可用于防止電池供電電路中的電池意外反轉(zhuǎn)。

圖 6.2 橋式整流器：使用 4 個(gè)二極管的全波整流器

對于單相交流電，如果變壓器是中心抽頭，則兩個(gè)背靠背的二極管(即陽極對陽極或陰極對陰極)可以形成一個(gè)全波整流器。與上述橋式整流器相比，變壓器次級需要兩倍的繞組才能獲得相同的輸出電壓。從變壓器的角度來看，效率不高，因?yàn)樵诮涣鬏斎氲拿總€(gè)正負(fù)半周期中，電流僅流過次級的一半。

圖 6.3 使用中心抽頭變壓器和 2 個(gè)二極管的全波整流器

如圖6.4所示，如果包含第二對二極管，則可以產(chǎn)生相對于變壓器中心抽頭的正極性和負(fù)極性電壓。從圖6.2中可以看出，這種布置與在全波橋式整流器中的次級繞組上增加一個(gè)中心抽頭相同。

圖 6.4 使用中心抽頭變壓器和 4 個(gè)二極管的雙極性全波整流器

1.3 整流器輸出平滑

半波或全波整流不會產(chǎn)生恒壓直流電，正如我們在前面的圖中看到的那樣。為了從整流交流電源產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓，需要濾波器或平滑電路。在最簡單的形式中，這可能只是一個(gè)電容器，放置在整流器的直流輸出端。在電壓未完全平滑的情況下，仍將保留一定量的交流紋波電壓。剩余紋波的幅度取決于負(fù)載在波形峰值之間對電容器放電的程度。

圖 6.5(a)半波整流器 RC 濾波器

圖 6.5(b)全波整流器 RC 濾波器

濾波電容器的尺寸，C1，表示權(quán)衡。對于給定的負(fù)載，RL，較大的電容器將降低紋波，但成本更高，并且會在變壓器次級和為其供電的電源中產(chǎn)生更高的峰值電流。在極端情況下，許多整流器被加載到配電電路上，配電網(wǎng)可能難以保持正確形狀的正弦電壓波形。

對于給定的容許紋波，所需的電容尺寸與負(fù)載電流成正比，與電源頻率和整流器每個(gè)輸入周期的輸出峰值數(shù)成反比。負(fù)載電流和電源頻率通常不受整流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的控制，但每個(gè)輸入周期的峰值數(shù)可能會受到整流器設(shè)計(jì)的選擇的影響。全波整流器電路的最大紋波電壓不僅由平滑電容器的值決定，還由頻率和負(fù)載電流決定，計(jì)算公式為：

其中：

V脈動是直流輸出

I 上的最大紋波電壓負(fù)荷是直流負(fù)載電流

，F(xiàn)是紋波的頻率(一般是交流頻率的2倍)，

C是平滑電容

半波整流器，圖6.5(a)每個(gè)周期只能給出一個(gè)峰值，由于這個(gè)原因和其他原因，它只用于非常小的電源，并且需要考慮成本和復(fù)雜性。圖6.5(b)所示的全波整流器每個(gè)周期實(shí)現(xiàn)兩個(gè)峰值，這是單相輸入所能達(dá)到的最佳峰值。對于三相輸入，三相電橋每個(gè)周期將產(chǎn)生六個(gè)峰值，通過使用放置在整流器之前的變壓器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為更高的相序，可以實(shí)現(xiàn)更高的峰值數(shù)量。

為了進(jìn)一步降低這種紋波，可以使用如圖6.6所示的LC π濾波器(pi濾波器)。這補(bǔ)充了儲能電容器 C1，帶串聯(lián)電感器，L1和第二個(gè)濾波電容 C2這樣就可以在最終濾波電容器的端子上獲得更穩(wěn)定的直流輸出。串聯(lián)電感器在紋波電流頻率下具有高阻抗。

圖 6.6 LC π濾波器(pi 濾波器)

濾波器的更常用替代方案，如果直流負(fù)載需要非常平滑的電源電壓，則是必不可少的，方法是在濾波電容器后面安裝穩(wěn)壓器，我們將在第 6.3 節(jié)中討論。濾波電容需要足夠大，以防止紋波谷低于所用穩(wěn)壓器的壓差電壓。穩(wěn)壓器既可以消除最后的紋波，也可以處理電源和負(fù)載特性的變化?？梢允褂幂^小的濾波電容(對于大電流電源來說可能很大)，然后應(yīng)用一些濾波和穩(wěn)壓器，但這不是常見的設(shè)計(jì)策略。這種方法的極端做法是完全省去濾波電容，將整流后的波形直接放入電感輸入濾波器中。該電路的優(yōu)點(diǎn)是電流波形更平滑，因此整流器不再需要在輸入正弦波的峰值處將電流作為大電流脈沖處理，而是將電流傳輸分散在更多的周期中。缺點(diǎn)是電壓輸出要低得多 - 大約是交流半周期的平均值，而不是峰值。

來源：泰科龍鋰電池

審核編輯：湯梓紅