初級模擬電路：2-3 整流電路

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      整流電路（rectifier circuit）是二極管的一個重要應用，其功能是將交流電變爲直流電，下圖爲一個普通的直流電源的基本框圖結構：

圖 2-3.01 

      這一小節咱們詳細要分析的，就是圖中的二極管整流器（diode rectifier）部分。做爲整流器使用的二極管一般都是功率二極管，它的功率和最大正偏電流值要比通常做爲開關使用的高速二極管大得多，比較經常使用的功率二極管有：1N4001~1N4007系列。經常使用的整流電路有半波整流和全波整流兩種，下面分別予以介紹。

 

1.   半波整流

      半波整流（half-wave rectification）的電路很是簡單，以下圖所示：

圖 2-3.02 

      設輸入電壓爲通過變壓器變壓後的正弦電壓，表達式爲：

      當輸入電壓v_i處於正半周且大於0.7V時，二極管導通，此時輸出電壓v_o僅比v_i小0.7V；當輸入電壓小於0.7V時（整個負半周和正半周小於0.7V的部分），二極管截止，輸出電壓v_o爲0，其輸入和輸出的對比波形圖以下圖所示：

圖 2-3.03 

      固然，上圖只是咱們假想的理想二極管的波形，實際上，因爲二極管伏安特性的非線性，在波峯處的輸入電壓和輸出電壓的差值要更大一些，真正的輸入電壓和輸出電壓的對比波形放大後是以下圖所示這樣的，下面是輸入V_m爲5V時示波器觀察到的波形：

圖 2-3.04 

      當輸入電壓的V_m遠大於0.7V時，其實這點微小的誤差能夠忽略不記。

      另外，再考慮一下在半波整流狀況下，二極管的反偏峯值電壓（PIV），當輸入電壓處於負半周時，幾乎全部的反偏電壓都加在二極管上，因此對二極管反偏電壓參數的要求是：

PIV額定值 ≥ V_m    （半波整流）

      通常半波整流在實際中並不太用到，由於效率過低，整個負半周都浪費掉了。因此上面介紹的半波整流，僅僅是用來幫助初步理解整流的概念的，真正實用的是下面要介紹的全波整流。

 

2.   全波整流

 

（1） 橋式全波整流

      最經常使用的橋式（bridge network）全波整流（full-wave rectification）電路圖以下圖所示：

圖 2-3.05 

      當輸入電壓處於正半周時，二極管D₂和D₃導通，二極管D₁和D₄截止。當輸入電壓處於負半周時，二極管D₄和D₁導通，二極管D₂和D₃截止。電流流動狀況分別以下圖所示：

圖 2-3.06 

      注意在上圖中，流過負載電阻R的電流方向始終是從右向左的，因此在R上的電壓極性始終是一個方向的。另外，電流通路要通過2個二極管，因此輸出電壓會比輸入電壓降低2個0.7V（即1.4V），最終的全波整流的輸入和輸出波形是這個樣子的：

圖 2-3.07 

      當輸入電壓的V_m遠大於1.4V時，能夠忽略這個1.4V，近似認爲輸出電壓的波形是這樣的：

圖 2-3.08 

      根據電路基礎理論中的關於交流電「平均值」和「有效值」的公式，能夠獲得如下結果：

      最後再來看全波整流對於二極管的PIV參數的要求，以正半周爲例（此時D₂和D₃導通，可近似視爲短路），在下圖中能夠看到，不管是D₁仍是D₄，都承受了幾乎全部的v_i電壓

圖 2-3.09 

      因此對全波整流二極管的選型，PIV的參數要求爲：

PIV額定值 ≥ V_m    （橋式全波整流）

 

（2） 中心抽頭變壓器全波整流

      另外一種比較常見的全波整流電路爲使用中心抽頭變壓器（center-tapped transformer）的整流電路，也叫CT全波整流，以下圖所示：

圖 2-3.10 

      變壓器的初級和次級線圈繞組的匝數爲1:2，次級線圈上會產生2倍於v_i的電壓，可是對於中間的抽頭O點引出後，不管是AO之間仍是BO之間，都只有次級線圈的一半匝數，故它們的電壓v_AO和v_BO都等於v_i

      當輸入電壓處於正半周時，二極管D₁導通，D₂截止，負載R上的電壓爲v_o等於次級線圈的一半（即AO之間）的電壓，此值大小等於v_i，流過R的電流方向爲從右至左；當輸入電壓處於負半周時，二極管D₂導通，D₁截止，負載R上的電壓爲v_o等於次級線圈的另外一半（即BO之間）的電壓，此值大小也等於v_i，流過R的電流方向一樣爲從右至左。 輸出電壓v_o的波形以下圖所示：

圖 2-3.11 

      中心抽頭變壓器全波整流對於二極管PIV參數的要求與橋式整流不一樣，從前面圖中能夠看到，對於每一個二極管，當其反偏時，要承受整個整個次級線圈的反偏電壓，即2倍的v_i，因此對於中心抽頭變壓器全波整流二極管的選型要求爲：

PIV額定值 ≥ 2V_m    （中心抽頭變壓器全波整流）

 

3.   濾波與穩壓

      最後咱們再簡單介紹一下「圖2-3.01」中的濾波器和穩壓器。

圖 2-3.12 

 

（1） 濾波器

      濾波器（filter）能夠作得很複雜，也能夠作得很簡單，最簡單的濾波器就是一個電容。通常對於交流電源整流後濾波來說，一個大電容基本上就夠用了，以下圖所示：

圖 2-3.13 

      上圖中，輸出電壓v_o等於濾波器的電容電壓v_C，咱們來分析濾波過程：

      （1）在全波整流的輸出電壓第1次到達峯值V_m之前，整流器的輸出電壓給電容C充電，此時v_o等於整流器輸出電壓，以下圖所示，圖中灰色虛線爲無濾波器時的整流器輸出電壓：

圖 2-3.14 

      （2）當整流器輸出電壓通過峯值V_m後，其輸出電壓開始變小，此時電容上存儲的電壓爲V_m，已經超過整流器輸出電壓，可是因爲整流器的D₂和D₄反向截止，電容沒法向整流器放電，只能經過負載電阻R_L進行放電。因爲濾波電容通常都會用比較大的電容，因此經過負載R_L放電的速度比較緩慢，以下圖所示：

圖 2-3.15 

      （3）當整流器的輸出電壓第2次接近峯值V_m時，因爲電容放電速度比較緩慢，電容電壓v_C比峯值V_m略低，當整流器輸出電壓超過電容電壓時，整流器再次對電容進行充電，以下圖所示：

圖 2-3.16 

      （4）當整流器輸出電壓再次小於峯值V_m時，電容再次開始放電。如此周而復始，因爲輸出電壓v_o等於電容電壓v_C，最終輸出的電壓波形以下圖所示：

圖 2-3.17 

      這種形狀的輸出電壓波形稱爲波紋電壓（ripple voltage）。通常來說，電容取得越大，波紋就越小，濾波效果越好。同時，負載R_L的阻值也不能過小，不然也會由於放電速度太快而使波紋波動幅度加重。

      ● 浪涌限制電阻

      最後再補充一點關於浪涌（surge）的知識。在電源剛接通時，濾波電容C是未充電的，當開關SW合上的瞬間，電容至關於並聯在整流器的輸出電壓上，會產生很是巨大的瞬間充電電流，這個稱爲浪涌電流（surge current）。若是開關閉合的時機正好在整流器輸出電壓處於峯值V_m輸出的時候，會產生最糟糕的狀況，此時會產生極大的浪涌電流。以下圖所示：

圖 2-3.18 

      大的浪涌電流極可能損壞二極管，或者致使變壓器前級的保險絲熔斷，所以一般會在充電通路上加一個抗浪涌電阻R_surge，以造成RC充電迴路，防止充電電流過大，以下圖所示：

圖 2-3.19 

      這個抗浪涌電阻的阻值選擇比較講究，既不能太大（阻值太大會致使這個電阻上自己產生很大的壓降，而影響電源效率）；也不能過小（阻值過小會致使抗浪涌效果很差）。最好是電路啓動的時候阻值比較大，以取得較好的抗浪涌效果；而後電路正常工做的時候阻值較小，以免在抗浪涌電阻上產生過多壓降。有沒有這種理想的抗浪涌電阻呢？

      答案是有的。一般咱們用NTC（負溫度係數）熱敏電阻來做爲抗浪涌電阻。負溫度係數的特色是：溫度越高，阻值越低。當電路剛啓動時，溫度通常爲常溫，NTC電阻阻值會比較大，這時抗浪涌效果會比較好。當電路工做一段時間後，流過NTC電阻的電流會致使電阻發熱，使其阻值降低，這樣就能夠避免在抗浪涌電阻上產生過大的壓降。

      固然，這種用法也有缺點，就是斷電後，要等一段時間，使NTC電阻冷卻下來後，才能再次開啓，不然初始抗浪涌的效果會變差，通常典型的冷卻時間大約爲1分鐘左右。若是對於須要頻繁開啓的狀況，就須要設計更復雜的抗浪涌電路。

 

（2）穩壓器

      穩壓器（regulator）的做用是將濾波器輸出的紋波電壓，轉換成比較理想的恆定直流電壓，而且在即便輸入電壓有波動、溫度有波動或負載電阻有波動時，仍能保持比較恆定的直流電壓輸出。

      集成IC穩壓器能比較好地達到這一目標，並且成本低廉（價格在幾毛錢~1元不等），最經常使用的78XX系列穩壓器能夠產生5V~24V的輸出電壓，見下表所示。IC穩壓器的輸出電流一般最大能夠達到1A，有的甚至能夠達到5A，詳情可查看具體的數據規格書。

型號	輸出電壓	波紋輸入電壓最小值
7805	+5V	7.3V
7806	+6V	8.3V
7808	+8V	10.5V
7810	+10V	12.5V
7812	+12V	14.6V
7815	+15V	17.7V
7818	+18V	21.0V
7824	+24V	27.1V

表 2-3.01 

      一個典型的完整包含「整流器、濾波器、穩壓器」的可產生5V的直流電源的電路以下圖示：

圖 2-3.20 

      上圖中，C₁即爲濾波器，C₂主要用於改善穩壓器的輸出暫態響應，這個電容值比較小（通常爲0.1uF~1uF左右）。D₁~D₄可選用上一章咱們提到的1N4007二極管。

      ● 線性電源與開關電源

      上面咱們分析的都是線性電源（linear power supplier），其優勢是結構簡單，對外界產生的干擾也較小。其缺點主要有2個：一個是重量過重（大部分重量是由鐵芯變壓器產生的），另外一個是轉換效率稍低，IC穩壓器會產生必定的熱量損耗，通常須要對IC穩壓器作單獨散熱。

      另外一種形式的直流電源稱爲開關電源（SMPS），它的優勢是輕便、轉換效率高；缺點是會產生大量的電磁干擾（EMI），還會對配電網形成必定影響（主要是會在配電網中產生大量高次諧波並拉低功率因數）。爲了抵消這些影響，開關電源必須設計得更爲複雜。開關電源的工做原理與線性電源徹底不一樣，後面若是有機會咱們會將電源設計和穩壓器參數單獨講一章。

     

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