什么是半波整流器

　　波整流器是指只允許交流電壓波形的一個(gè)半周期通過(guò)，阻塞另一個(gè)半周期的整流器。半波整流器用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，只需要一個(gè)二極管即可構(gòu)成。

　　整流器是一種將交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流(DC)的裝置。它是通過(guò)使用一個(gè)二極管或一組二極管完成的。半波整流器使用一個(gè)二極管，而全波整流器使用多個(gè)二極管。

　　半波整流器的工作利用了二極管只允許電流流向一個(gè)方向的事實(shí)。

　　半波整流器的工作原理

　　半波整流器是可用的最簡(jiǎn)單的整流器形式。我們將看到一個(gè)完整的半波整流電路后-但讓我們首先了解這種類型的整流正在做什么。

　　說(shuō)明了半波整流器的基本原理。當(dāng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的交流波形通過(guò)一個(gè)半波整流器，只有一半的交流波形保留。半波整流器只允許交流電壓的一個(gè)半周期(正半周期或負(fù)半周期)通過(guò)，并將阻斷直流側(cè)的另一個(gè)半周期，如下所示。

　　構(gòu)造半波整流器只需要一個(gè)二極管。實(shí)質(zhì)上，這就是半波整流器所做的全部工作。

　　由于直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是讓電流流向一個(gè)單一的方向(和恒定的電壓-我們將在后面描述) ，通過(guò)直流設(shè)備使用正負(fù)周期的交流波形可能會(huì)產(chǎn)生破壞性(和危險(xiǎn))的后果。因此，我們采用半波整流器將交流輸入功率轉(zhuǎn)換成直流輸出功率。

　　但是二極管只是其中的一部分——一個(gè)完整的半波整流電路由三個(gè)主要部分組成:

　　變壓器

　　電阻負(fù)載

　　二極管

　　我們現(xiàn)在將通過(guò)一個(gè)半波整流器如何將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流輸出的過(guò)程。

　　首先，一個(gè)高的交流電壓被施加到降壓變壓器的初級(jí)一側(cè)，我們將得到一個(gè)低電壓在二次繞組將適用于二極管。

　　在正半周期的交流電壓，二極管將正向偏置和電流流過(guò)二極管。在負(fù)半周期的交流電壓，二極管將反向偏置和電流流動(dòng)將被阻塞。次級(jí)側(cè)(DC)的最終輸出電壓波形如上圖3所示。

　　乍一看，這可能會(huì)讓人感到困惑——所以讓我們更深入地研究一下這個(gè)理論。

　　我們會(huì)專注于電路的第二面。如果我們用一個(gè)源電壓取代二次變壓器線圈，我們可以簡(jiǎn)化半波整流器的電路圖如下:

　　現(xiàn)在我們沒(méi)有變壓器部分的電路分散我們的注意力。

　　對(duì)于交流電源電壓的正半周期，等效電路有效地成為:

　　這是因?yàn)槎O管是正向偏置的，因此允許電流通過(guò)。所以我們有一個(gè)閉合電路。

　　但是對(duì)于交流電源電壓的負(fù)半周期，等效電路變成:

　　因?yàn)槎O管現(xiàn)在處于反向偏置模式，所以沒(méi)有電流能夠通過(guò)它。因此，我們現(xiàn)在有一個(gè)開(kāi)放的電路。由于在此期間電流不能流過(guò)負(fù)載，所以輸出電壓等于零。

　　這一切都發(fā)生得很快-因?yàn)榻涣麟姴ㄐ螌⒄袷幹g的積極和消極很多次每秒鐘(取決于頻率)。

　　下面是輸入端(Vin)的半波整流器波形，以及整流后輸出端(Vout)的半波整流器波形(即從 AC 到 DC 的轉(zhuǎn)換) :

　　這是一個(gè)半波整流器，只允許正半周期通過(guò)二極管，并阻塞負(fù)半周期。

　　相反，負(fù)半波整流器只允許負(fù)半周期通過(guò)二極管，并將阻塞正半周期。正半波整流器和負(fù)半波整流器的唯一區(qū)別是二極管的方向。

　　正如你在下面的圖5中看到的，二極管現(xiàn)在在相反的方向上。因此，現(xiàn)在只有當(dāng)交流波形處于負(fù)半周期時(shí)，二極管才會(huì)有正向偏置。

　　半波整流電容濾波器

　　由上述理論得到的輸出波形為脈動(dòng)直流波形。這是什么是獲得時(shí)，使用一個(gè)半波整流器沒(méi)有過(guò)濾器。

　　濾波器是用來(lái)將(平滑)脈動(dòng)直流波形轉(zhuǎn)換為恒定直流波形的組件。他們通過(guò)抑制波形中的直流波紋來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。

　　雖然半波整流器無(wú)濾波器在理論上是可行的，但它們不能用于任何實(shí)際應(yīng)用。由于直流設(shè)備需要一個(gè)恒定的波形，我們需要“平滑”這種脈動(dòng)波形，使其在現(xiàn)實(shí)世界中有任何用途。

　　這就是為什么實(shí)際上我們使用帶濾波器的半波整流器。電容器或電感可用作濾波器，但最常用的是帶電容濾波器的半波整流器。

　　半波整流器公式

　　現(xiàn)在我們將根據(jù)前面的理論和圖形推導(dǎo)出半波整流器的各種計(jì)算公式。

　　半波整流器的紋波系數(shù)

　　“紋波”是在將交流電壓波形轉(zhuǎn)換為直流波形時(shí)剩余的不需要的交流分量。即使我們盡力去除所有的交流元件，仍然有一些少量的輸出端脈動(dòng)的直流波形。這種不受歡迎的交流分量被稱為“漣漪”。

　　為了量化半波整流器在多大程度上可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，我們使用紋波因子(表示為 γ 或 r)。紋波因子是指整流器的交流電壓(輸入端)與直流電壓(輸出端)的有效值之比。

　　也可以重新排列為:

　　半波整流器的紋波系數(shù)為1.21(γ = 1.21)。

　　注意，對(duì)于我們構(gòu)建一個(gè)好的整流器，我們要保持紋波系數(shù)盡可能低。這就是為什么我們使用電容器和電感器作為濾波器，以減少電路中的漣漪。

　　半波整流器的效率

　　整流效率(η)是輸出直流功率與輸入交流功率之比。效率的公式等于:

　　半波整流器的效率等于40.6% (η max = 40.6%)

　　半波整流器的有效值

　　為了推導(dǎo)出半波整流器的有效值，需要計(jì)算負(fù)載電流。如果瞬時(shí)負(fù)荷電流等于 iL = Imsinωt，則負(fù)荷電流(IDC)的平均值等于

　　其中 IM 等于負(fù)載的峰值瞬時(shí)電流(Imax)。因此，通過(guò)負(fù)載獲得的輸出直流電流(IDC)是:

　　對(duì)于半波整流器，有效值負(fù)載電流(Irms)等于平均電流(IDC)乘以 π/2。因此，半波整流器的負(fù)載電流(Irms)的有效值是

　　其中 IM = Imax，等于負(fù)載的峰值瞬時(shí)電流。

　　半波整流器的峰值反電壓

　　峰值反向電壓(PIV)是二極管在反向偏置條件下所能承受的最大電壓。如果施加的電壓大于 PIV，二極管將被破壞。

　　半波整流器的應(yīng)用

　　雖然半波整流器并不像全波整流器那樣常用，但它們?nèi)杂幸恍┯猛?

　　半波整流器的優(yōu)點(diǎn)

　　半波整流器的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單。因?yàn)樗鼈儾恍枰敲炊嘟M件，所以安裝和構(gòu)造它們更簡(jiǎn)單、成本更低。

　　因此，半波整流器的主要優(yōu)點(diǎn)是:

　　簡(jiǎn)單(組件數(shù)量較少)

　　更便宜的前期成本(因?yàn)樗麄兊脑O(shè)備較少。雖然隨著時(shí)間的推移，由于電力損耗的增加，成本會(huì)更高)

　　半波整流器的缺點(diǎn)

　　半波整流器的缺點(diǎn)是:

　　每個(gè)正弦波只允許一個(gè)半周期通過(guò)，而另一個(gè)半周期被浪費(fèi)了，這就導(dǎo)致了能量損失。

　　它們產(chǎn)生低輸出電壓。

　　我們得到的輸出電流不是純直流的，它仍然包含大量的紋波(即它有一個(gè)高紋波因子)

　　** 三相半波整流器**

　　上述理論都是針對(duì)單相半波整流器的。三相半波整流器雖然原理相同，但特點(diǎn)不同。波形、紋波因子、效率和有效值是不一樣的。

　　三相半波整流器用于將三相交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。這里的開(kāi)關(guān)是二極管，因此它們是不受控制的開(kāi)關(guān)。也就是說(shuō)，沒(méi)有辦法控制這些開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

　　三相半波整流器一般采用三相電源連接三相變壓器構(gòu)成，變壓器的二次繞組始終通過(guò)星形連接。這是因?yàn)橹行渣c(diǎn)需要將負(fù)載連接回變壓器次級(jí)繞組，為電力流提供回路。

　　提供純電阻負(fù)載的三相半波整流器的典型結(jié)構(gòu)如下所示。在這里，變壓器的每個(gè)階段被認(rèn)為是一個(gè)單獨(dú)的交流電源。電壓的模擬和測(cè)量如下面的電路所示。在這里，我們已經(jīng)連接了一個(gè)單獨(dú)的電壓表跨越每個(gè)電源以及跨越負(fù)載。

　　所以我們可以從上圖中看到，當(dāng) R 相的電壓值高于其他兩個(gè)相的電壓值時(shí)，二極管 D1進(jìn)行傳導(dǎo)，這種情況開(kāi)始于 R 相在30度時(shí)，并在每個(gè)完整周期后重復(fù)。也就是說(shuō)，下一次二極管 DI 開(kāi)始導(dǎo)通是在390度。二極管 D2從 D1接管傳導(dǎo)，D1在150度角停止傳導(dǎo)，因?yàn)榇藭r(shí) B 相的電壓值比其他兩相的電壓值高。因此，每個(gè)二極管的導(dǎo)電角度為150o-30o = 120o。

　　在這里，由此產(chǎn)生的直流電壓信號(hào)的波形不是純粹的直流，因?yàn)樗皇瞧教沟模撬粋€(gè)紋波。紋波頻率為3 × 50 = 150Hz。

　　上述公式表明，電壓紋波是顯著的。這是不可取的，因?yàn)檫@導(dǎo)致不必要的功率損失。

　　雖然三相半波整流器的效率似乎很高，但仍然低于三相全波二極管整流器的效率。雖然三相半波整流器比較便宜，但是相對(duì)于高功率損耗所造成的經(jīng)濟(jì)損失來(lái)說(shuō)，這種成本節(jié)約是微不足道的。因此，三相半波整流器在工業(yè)上并不常用。

　　半波整流器如何測(cè)量好壞

　　一、使用萬(wàn)用表測(cè)試

　　1. 用萬(wàn)用表中的電阻檔將半波整流器兩端相連，查看電阻值是否穩(wěn)定，連通是否正常。如果電阻值變化很大或無(wú)法測(cè)量到電阻，則說(shuō)明半波整流器可能存在故障。

　　2. 用萬(wàn)用表中的電壓檔將半波整流器兩端相連，可以測(cè)量到正常輸出的電壓值，一般為輸入電壓的一半左右。如果輸出電壓過(guò)大或者無(wú)法測(cè)量到輸出電壓，則說(shuō)明半波整流器可能存在故障。

　　二、使用示波器測(cè)試

　　1. 連接示波器的探頭，將其正極接到半波整流器的輸出端，負(fù)極接地，開(kāi)啟示波器。正常情況下，示波器應(yīng)該顯示出半波整流器的輸出信號(hào)，其幅值保持穩(wěn)定且頻率應(yīng)該是輸入信號(hào)的二倍。

　　2. 可以使用示波器觀察半波整流器的輸出波形，正常的半波整流器輸出應(yīng)該是一個(gè)正半周的脈沖信號(hào)，頻率是輸入電壓的二倍。

　　三、注意事項(xiàng)

　　1. 在測(cè)試半波整流器之前，應(yīng)該確保測(cè)試工具的正確性和可用性，比如保證萬(wàn)用表的電量充足，示波器的探頭連接正確等。

　　2. 測(cè)試時(shí)應(yīng)該注意安全問(wèn)題，避免觸電等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

　　3. 如果半波整流器存在故障，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行修理或更換，以免影響正常使用。

　　半波整流器的作用

　　1、將交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?，以?shí)現(xiàn)向用電設(shè)備供電和向蓄電池充電;

　　2、限制蓄電池電流倒流回發(fā)電機(jī)，保護(hù)發(fā)電機(jī)不被逆電流燒壞。

　　在采用交流發(fā)電機(jī)的電源系統(tǒng)中，整流器是該系統(tǒng)的重要組成部分。整流器實(shí)際上是一個(gè)硅二極管或由幾個(gè)硅二極管組成，它的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖2-14所示。硅二極管則由一個(gè)PN結(jié)加上電極引線和外殼所構(gòu)成，它的兩個(gè)電極，正極接P型區(qū)，負(fù)極接N型區(qū)。

　　一、整流器的作用整流器用在交流發(fā)電機(jī)電源系統(tǒng)中，其作用。

　　一是將交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?，以?shí)現(xiàn)向用電設(shè)備供電和向蓄電池充電;

　　二是限制蓄電池電流倒流回發(fā)電機(jī)，保護(hù)發(fā)電機(jī)不被逆電流燒壞。硅二極管具有單向?qū)щ姷奶匦?，即在硅二極管兩端加上一定的電壓(電源正極接二極管正極，電源負(fù)極接二極管的負(fù)極)時(shí)，二極管就導(dǎo)通，有電流流過(guò)，反之，二極管不導(dǎo)通，無(wú)電流通過(guò)。

　　這樣，電流只能從一個(gè)方向通過(guò)。人們利用二極管的這個(gè)特性，制成整流器。當(dāng)給整流器加上交流電壓時(shí)，只允許交流電的正半周通過(guò)，而負(fù)半周不通過(guò)，因此在整流器的負(fù)端便輸出脈動(dòng)直流電。

　　二、整流器的種類及結(jié)構(gòu)。

　　單相半波整流器它由磁電機(jī)、整流器、用電設(shè)備和蓄電池組成。當(dāng)永久磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子繞組切割磁力線后便產(chǎn)生交流電壓，由一個(gè)硅二極管完成半波整流，整流后的直流(脈動(dòng))電供給用電設(shè)備和向蓄電池充電。鈴木A100、AX100、TR125及雅馬哈DX100等型號(hào)的摩托車均采用這種電路。這是最簡(jiǎn)單的整流電路。

　　半波整流電路的特點(diǎn)

　　半波整流電路具有簡(jiǎn)單、低成本和高效率等特點(diǎn)。但是，由于僅能使用正半周信號(hào)，因此輸出信號(hào)可能會(huì)對(duì)某些應(yīng)用產(chǎn)生影響，如造成LED發(fā)出的光線閃爍。

　　電源設(shè)計(jì)：全波整流器和半波整流器

　　在由電源電壓供電的電子電路中，輸入交流電壓必須轉(zhuǎn)換為具有足夠穩(wěn)定度的直流電壓。整流交流電壓的最簡(jiǎn)單方法是使用常規(guī)半導(dǎo)體二極管，這是一種無(wú)源非線性電子元件，其特性是允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)而在另一個(gè)方向上流動(dòng)。圖1顯示了半波整流器電路的原理圖，而圖2顯示了使用中心抽頭變壓器的全波整流器。電阻RL模擬輸出負(fù)載的存在，而VM表示變壓器每個(gè)次級(jí)繞組上的最大電壓。

　　在剛剛顯示的兩種配置中，負(fù)載上的峰值電壓大約等于變壓器次級(jí)繞組提供的峰值電壓。特別是在半波整流器的情況下，VCCDC輸出電壓由以下公式給出，其中VMAX表示交流輸入電壓的峰值：

　　另一方面，對(duì)于全波整流器，VCC電壓由以下公式給出，其中VMAX現(xiàn)在代表兩個(gè)變壓器的次級(jí)繞組中每個(gè)繞組的峰值：

　　降低紋波

　　對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，上述電路產(chǎn)生的輸出電壓的紋波過(guò)高。相反，對(duì)于非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用(例如為燈供電或控制小型電動(dòng)機(jī))，這是可以接受的。通過(guò)在整流二極管之后增加一個(gè)濾波電容器，輸出電壓波形將顯著改善，從而大幅降低紋波。圖3中的電路使用一個(gè)中心抽頭變壓器和兩個(gè)整流二極管，而圖4中的電路使用一個(gè)常規(guī)變壓器，在常規(guī)電橋配置中，該變壓器只有一個(gè)次級(jí)繞組和四個(gè)整流二極管。兩種原理圖通常用于從交流電源開(kāi)始獲得直流電壓。

　　輸出波形

　　圖5顯示了在圖1的半波整流器電路中增加一個(gè)濾波電容器所產(chǎn)生的效果：正如我們所看到的，輸出電壓更加規(guī)則，并具有平滑的趨勢(shì)。在b–c節(jié)中，具有線性趨勢(shì)，是由濾波電容器提供充電電流。隨著電流的增加，該部分的斜率變得越來(lái)越陡，從而確定了正半波上c點(diǎn)的位置。點(diǎn)c越低，二極管的導(dǎo)通時(shí)間就越長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)于c–d的周期)，因此輸出電壓的紋波也就越大。在與c節(jié)相關(guān)的期間–d，電容器已充電。如果連接的負(fù)載需要高電流，則電容器將很快放電，從而增加紋波。因此，對(duì)于要求高功率電平的電路，基于全波整流器的解決方案是優(yōu)選的。

　　如果負(fù)載吸收的電流為零，則直流輸出電壓等于整流交流電壓的峰值。

　　全波整流器中的最大電壓紋波不僅取決于濾波電容器的容量，還取決于紋波頻率和負(fù)載電流：

　　其中，ILOAD(A)是負(fù)載吸收的直流電流，f(Hz)是紋波頻率，C(farad)是濾波電容器的容量。