單相全波不同式整流器案例

整流是通過固態(tài)半導體器件將交流電源連接到連接的直流負載的過程

整流將振蕩的正弦交流電壓源轉換為恒流直流電壓源通過二極管，晶閘管，晶體管或轉換器。該整流過程可以采用多種形式，具有半波，全波，不受控制和完全可控的整流器，將單相或三相電源轉換為恒定的DC電平。在本教程中，我們將介紹單相整流及其所有形式。

整流器是交流電源轉換的基本構建模塊之一，半波或全波整流通常由半導體二極管執(zhí)行。二極管允許交流電流在正向流過它們，同時阻止電流反向流動，形成固定的直流電壓電平，使其成為整流的理想選擇。

然而，已經二極管整流的直流電流是不像電池電源那樣純凈，但由于交替供電，電壓會隨著疊加在其上的波紋形式產生電壓變化。

但是對于單相整流，我們需要一個固定電壓和頻率的交流正弦波形，如圖所示。

交流正弦波形

AC波形通常有兩個與之相關的數(shù)字。第一個數(shù)字表示波形沿x軸的旋轉程度，交流發(fā)電機從該軸旋轉0到360 o 。該值被稱為周期（T），其被定義為完成波形的一個完整周期所花費的間隔。周期以度，時間或弧度為單位進行測量。正弦波周期與頻率之間的關系定義為： T = 1 / f 。

第二個數(shù)字表示沿著該值的電流或電壓值的幅度。 y軸。此數(shù)字給出從零到某個峰值或最大值（A MAX ，V MAX 或I MAX ）的瞬時值，表示正弦波最大再次回到零之前的幅度。對于正弦波形，有兩個最大值或峰值，一個用于正半周，一個用于負半周。

但除了這兩個值之外，我們還有兩個值。用于整改目的。一個是波形平均值，另一個是RMS值。通過在一個半周期內加上電壓（或電流）的瞬時值來獲得波形的平均值，并且發(fā)現(xiàn)為：0.6365 * V P 。請注意，對稱正弦波的一個完整周期內的平均值為零。

正弦波的均方根或均方有效值（正弦波是正弦波的另一個名稱）提供相同的值電阻的能量與相同值的直流電源一樣。正弦電壓（或電流）的均方根（rms）值定義為：0.7071 * V P 。

單相整流器

所有單相整流器都使用固態(tài)器件作為主要的AC-DC轉換器件。單相不受控制的半波整流器是最簡單且可能最廣泛使用的用于小功率電平的整流電路，因為它們的輸出受到連接負載電抗的嚴重影響。

對于不受控制的整流電路，半導體二極管是最常用的器件，它們被安排用于創(chuàng)建半波或全波整流器電路。使用二極管作為整流器件的優(yōu)點是，通過設計，它們是具有內置單向pn結的單向器件。

該pn結將雙向交流電源轉換為單向通過消除一半的電源來實現(xiàn)單向電流。根據(jù)二極管的連接，它可以例如在正向偏置時通過AC波形的正半部，而在二極管反向偏置時消除負半周。

反之則是通過消除正半波或波形并通過負半波也是如此。無論哪種方式，單個二極管整流器的輸出僅由360 o 波形的一半組成，如圖所示。

半波整流

上面的單相半波整流器配置通過交流電源波形的正半部分，負半部分被消除。通過反轉二極管的方向，我們可以通過負半部并消除AC波形的正半部分。因此，輸出將是一系列正脈沖或負脈沖。

因此，在每個周期的一半時間內，沒有電壓或電流施加到連接的負載，R L 。換句話說，負載電阻兩端的電壓R L 僅由半波形組成，無論是正波形還是負波形，因為它只在輸入周期的一半內工作，因此名稱為半波整流器

希望我們可以看到二極管允許電流在一個方向上流動，只產生一個由半周期組成的輸出。這種脈動輸出波形不僅在每個周期都變化為ON和OFF，而且僅在50％的時間內出現(xiàn)，并且在純電阻負載下，這種高電壓和電流紋波內容達到最大值。

該脈動DC意味著在負載電阻上降低的等效DC值R L 因此僅為正弦波形平均值的一半。由于波形正弦函數(shù)的最大值為1（sin（90 o ）），因此在正弦波的一半上取得的平均或平均DC值定義為：0.637x最大振幅值。 / p>

因此在正半周期期間，A AVE 等于0.637 * A MAX 。然而，由于二極管的整流消除了負半周期，因此在此期間的平均值將為零。

正弦波平均值

因此對于半波整流器，50％的時間平均值為0.637 * A MAX 和50％當時沒有。如果最大振幅為1，則在負載電阻上看到的平均值或DC值相等，R L 將為：

因此，半波整流器的電壓或電流平均值的相應表達式如下：

V AVE = 0.318 * V <子> MAX

<跨度> I <子> AVE = 0.318 * I MAX

請注意，最大值A MAX 是輸入波形的最大值，但我們也可以使用其RMS或均方根值來查找等效的DC輸出單相半波整流器的值。為了確定半波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9（形狀因子）并將乘積除以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

然后我們可以看到半波整流電路將AC波形的正半部或負半部轉換為脈沖直流輸出，其值為0.318 * A MAX 或0.45 * A RMS ，如圖所示。

半波整流器平均電壓

整流示例No1

單相半波整流器連接到50V RMS 50Hz AC電源。如果整流器用于提供150歐姆的電阻負載。計算負載兩端產生的等效直流電壓，負載電流和負載消耗的功率。假設理想二極管特性。

首先我們需要將50伏RMS轉換為峰值或最大電壓等效值。

a）最大電壓幅度，V M

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

b）等效直流電壓，V DC

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

c）負載電流，I L

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

d）負載功耗，P L

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

在練習中，V DC <由于整流二極管上的正向偏壓0.7伏電壓降，因此/ sub>會略微減少。

單相半波整流器的主要缺點之一是半部分沒有輸出如我們所見，可用的輸入正弦波形導致低平均值。解決此問題的一種方法是使用更多二極管來產生全波整流器。

全波整流

與之前的半波整流器不同，全波整流器利用輸入正弦波形的兩半來提供單向輸出。這是因為全波整流器基本上由連接在一起的兩個半波整流器組成，以便為負載供電。

單相全波整流器通過使用布置成橋式布置的四個二極管來實現(xiàn)這一點。如前所述，波形的正半部分反轉正弦波的負半部分以產生脈動直流輸出。即使整流器的電壓和電流輸出是脈動的，它也不會使用完整的100％輸入波形反向，從而提供全波整流。

單相全波橋式整流器

這種二極管的橋接配置提供全波整流，因為四個二極管中的兩個都是向前的有偏見，而另外兩個是反向偏見。因此，在傳導路徑中存在兩個二極管而不是用于半波整流器的單個二極管。因此，由于兩個正向電壓降， V IN 和 V OUT 之間的電壓幅度會有差異串聯(lián)連接的二極管。和以前一樣，為了簡化數(shù)學運算，我們假設理想二極管。

那么單相全波整流器如何工作。在 V IN 的正半周期間，二極管 D 1 和 D 4 正向偏置，而二極管 D 2 且 D 3 反向偏置。然后，對于輸入波形的正半周期，電流沿著以下路徑流動： D 1 - A - R L - B - D 4 并返回電源。

在 V IN 的負半周期內，二極管 D 3 且 D 2 正向偏置，而二極管 D 4 且 D 1 是反向偏置的。然后，對于輸入波形的負半周期，電流沿著以下路徑流動： D 3 - A - R L - B - D 2 并返回電源。

在這兩種情況下，無論輸入波形的極性如何，輸入波形的正半周和負半周都會產生正輸出峰值。當前， i 總是在相同的方向上流過負載， R L 在點或節(jié)點之間 A 和<跨度>乙 。因此，源極的負半周期在負載時變?yōu)檎胫芷凇?/p>

因此無論哪一組二極管導通，節(jié)點 A 總是比節(jié)點乙 。因此，負載電流和電壓是單向的或DC給出以下輸出波形。

全波整流器輸出波形

雖然此脈動輸出波形使用100％的輸入波形，但其平均直流電壓（或電流）不是相同的值。我們從上面記得，超過正弦波一半的平均或平均DC值定義為：0.637x最大振幅值。然而，與上述半波整流不同，全波整流器每個輸入波形有兩個正半周，給出了不同的平均值，如圖所示。

全波整流器平均值

在這里我們可以看到，對于全波整流器，每個正峰值的平均值為0.637 * A MAX 并且由于每個輸入波形有兩個峰值，這意味著有兩個平均值相加在一起。因此，全波整流器的DC輸出電壓是前一個半波整流器的兩倍。如果最大振幅為1，則在負載電阻上看到的平均值或DC值相等，R L 將為：

因此，全波整流器的電壓或電流平均值的相應表達式如下：

V AVE = 0.637 * V <子> MAX

I AVE = 0.637 * I MAX

和以前一樣，最大值A MAX 是輸入波形的，但我們也可以使用其RMS或均方根值來找到單相全波整流器的等效DC輸出值。為了確定全波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9得出：

V AVE = 0.9 * V RMS

我 AVE = 0.9 *我 RMS

然后我們可以看到全波整流電路將交流波形的正半部或負半部轉換為脈沖直流輸出，其值為0.637 * A MAX 或0.9 * A RMS 如圖所示。

全波整流器平均電壓

整流示例No2

四個二極管用于構建單相全波橋式整流器電路，需要在220伏直流電壓下提供1kΩ的純電阻負載。計算所需輸入電壓的RMS值，從電源汲取的總負載電流，每個二極管通過的負載電流以及負載消耗的總功率。假設理想的二極管特性。

a）整流器電源電壓，V RMS

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

b）負載電流，I L

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

c）每個二極管通過的負載電流，I D

負載電流由每個周期的兩個二極管提供，因此：

I D = I L ÷2 = 0.22 / 2 = 0.11A或110mA

d）通過負載消耗功率，P L

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

全波半控橋式整流器

全波整流與簡單的半波整流器相比具有許多優(yōu)點，例如輸出電壓更加一致，具有更高的平均輸出電壓，輸入頻率由整改過程，需要較小的電容e值平滑電容器，如果需要的話。但我們可以通過在設計中使用晶閘管代替二極管來改進橋式整流器的設計。

通過用晶閘管替換單相橋式整流器中的二極管，我們可以創(chuàng)建一個相控AC-直流整流器，用于將恒定的交流電源電壓轉換為受控的直流輸出電壓。半控制或完全控制的相控整流器在可變電壓電源和電機控制中有很多應用。

單相橋式整流器被稱為“不受控制的整流器”，即施加的輸入電壓直接傳遞到輸出端子，提供固定的平均DC等效值。要將不受控制的橋式整流器轉換為單相半控整流器電路，我們只需要用晶閘管（SCR）替換兩個二極管，如圖所示。

半控橋式整流器

在半控整流器配置中，使用兩個晶閘管和兩個二極管控制平均直流負載電壓。正如我們在關于晶閘管的教程中所學到的，晶閘管僅在其陽極（A）比其陰極（K）更正，并且向其柵極施加觸發(fā)脈沖時才導通（“導通”狀態(tài)），（G）終奌站。否則它保持不活動狀態(tài)。

我們還了解到，一旦“接通”，晶閘管僅在其柵極信號被移除且陽極電流降至保持電流的晶閘管以下時再次“關閉”，I H ，因為交流電源電壓反向偏置它。因此，在交流電源電壓通過陽極的零電壓交叉后，將施加在晶閘管柵極端子上的觸發(fā)脈沖延遲一段受控的時間或角度（α）。陰極電壓，我們可以控制晶閘管何時開始傳導電流，從而控制平均輸出電壓。

半控橋式整流器

在輸入波形的正半周期間，電流沿著路徑： SCR 1 和D 2 ，然后返回供應。在 V IN 的負半周期內，傳導通過 SCR 2 和 D 1 并返回電源。

很明顯，頂級組中的一個晶閘管（ SCR 1 或 SCR 2 ）及其相應的二極管來自底部組（ D 2 或 D 1 ）必須一起導通才能使任何負載電流流過。

因此平均輸出電壓V AVE 取決于觸發(fā)角包括在半控整流器中的兩個晶閘管的α，因為兩個二極管是不受控制的，并且每當正向偏置時都通過電流。因此，對于任何柵極觸發(fā)角，α，平均輸出電壓由下式給出：

半控整流器平均輸出電壓

請注意，當α= 1 時，會出現(xiàn)最大平均輸出電壓，但仍然只有 0.637 * V MAX 與單相非控制橋式整流器相同。

我們可以通過用晶閘管替換所有四個二極管來進一步控制橋的平均輸出電壓。為我們提供全控制橋式整流器電路。

全控制橋式整流器

單相全控橋式整流器更常見于AC-直流轉換器。全控制橋式變換器廣泛用于直流電機的速度控制，通過用所示的晶閘管替換橋式整流器的所有四個二極管很容易獲得。

全控制橋式整流器

在全控整流器配置中，每半個周期使用兩個晶閘管控制平均直流負載電壓。晶閘管 SCR 1 和 SCR 4 在正半周期內成對激發(fā)，而晶閘管 SCR 3 和 SCR 4 也在負半周期內作為一對一起被觸發(fā)。在 SCR 1 和 SCR 4 之后，這是180 o 。

然后，在連續(xù)導通工作模式期間，四個晶閘管不斷地作為交替對切換，以保持平均或等效的DC輸出電壓。與半控整流器一樣，可以通過改變晶閘管觸發(fā)延遲角（α）來完全控制輸出電壓。

因此，表示平均直流電壓來自單相全控整流器在其連續(xù)導通模式下給出如下：

全控整流器平均輸出電壓

平均輸出電壓從 V MAX /π變?yōu)?-V MAX /π通過分別從π到 0 改變觸發(fā)角α。因此當α<90 o 時，平均直流電壓為正，當α> 90 o 時，平均直流電壓是否定的。這是從直流負載到交流電源的功率流。

然后我們在本教程中看到單相整流，單相整流器可采用多種形式將交流電壓轉換為不受控制的直流電壓使用四個晶閘管的單二極管半波整流器到全控制全波橋式整流器。

半波整流器的優(yōu)點是簡單，成本低，因為它只需要一個二極管。然而，由于只有一半的輸入信號用于產生低平均輸出電壓，因此效率不高。

全波整流器比半波整流器更有效，因為它使用兩個半波整流器輸入正弦波的周期產生更高的平均或等效DC輸出電壓。全波電橋電路的缺點是需要四個二極管。

相控整流使用二極管和晶閘管（SCR）的組合將AC輸入電壓轉換為受控的DC輸出電壓。完全可控的整流器在其配置中使用四個晶閘管，而半控整流器使用晶閘管和二極管的組合。

然后無論我們怎么做，將正弦交流波形轉換為穩(wěn)態(tài)直流電源稱為整流。