整流电路的半波整流和全波整流讲解

整流电路（rectifier circuit）是二极管的一个重要应用，其功能是将交流电变为直流电，下图为一个普通的直流电源的基本框图结构：

图 2-3.01 

这一小节我们详细要分析的，就是图中的二极管整流器（diode rectifier）部分。作为整流器使用的二极管通常都是功率二极管，它的功率和最大正偏电流值要比一般作为开关使用的高速二极管大得多，比较常用的功率二极管有：1N4001~1N4007系列。常用的整流电路有半波整流和全波整流两种，下面分别予以介绍。

1.   半波整流

半波整流（half-wave rectification）的电路非常简单，如下图所示：

图 2-3.02 

设输入电压为经过变压器变压后的正弦电压，表达式为：

当输入电压vi处于正半周且大于0.7V时，二极管导通，此时输出电压vo仅比vi小0.7V；当输入电压小于0.7V时（整个负半周和正半周小于0.7V的部分），二极管截止，输出电压vo为0，其输入和输出的对比波形图如下图所示：

图 2-3.03 

当然，上图只是我们假想的理想二极管的波形，实际上，由于二极管伏安特性的非线性，在波峰处的输入电压和输出电压的差值要更大一些，真正的输入电压和输出电压的对比波形放大后是如下图所示这样的，下面是输入Vm为5V时示波器观察到的波形：

图 2-3.04 

当输入电压的Vm远大于0.7V时，其实这点微小的偏差可以忽略不记。

另外，再考虑一下在半波整流情况下，二极管的反偏峰值电压（PIV），当输入电压处于负半周时，几乎所有的反偏电压都加在二极管上，所以对二极管反偏电压参数的要求是：

PIV额定值 ≥ Vm    （半波整流）

一般半波整流在实际中并不太用到，因为效率太低，整个负半周都浪费掉了。所以上面介绍的半波整流，仅仅是用来帮助初步理解整流的概念的，真正实用的是下面要介绍的全波整流。

2.   全波整流

（1） 桥式全波整流

最常用的桥式（bridge network）全波整流（full-wave rectification）电路图如下图所示：

图 2-3.05 

当输入电压处于正半周时，二极管D2和D3导通，二极管D1和D4截止。当输入电压处于负半周时，二极管D4和D1导通，二极管D2和D3截止。电流流动情况分别如下图所示：

图 2-3.06 

注意在上图中，流过负载电阻R的电流方向始终是从右向左的，所以在R上的电压极性始终是一个方向的。另外，电流通路要经过2个二极管，所以输出电压会比输入电压下降2个0.7V（即1.4V），最终的全波整流的输入和输出波形是这个样子的：

图 2-3.07 

当输入电压的Vm远大于1.4V时，可以忽略这个1.4V，近似认为输出电压的波形是这样的：

图 2-3.08 

根据电路基础理论中的关于交流电“平均值”和“有效值”的公式，可以得到以下结果：

最后再来看全波整流对于二极管的PIV参数的要求，以正半周为例（此时D2和D3导通，可近似视为短路），在下图中可以看到，无论是D1还是D4，都承受了几乎所有的vi电压

图 2-3.09 

所以对全波整流二极管的选型，PIV的参数要求为：

PIV额定值 ≥ Vm    （桥式全波整流）

（2） 中心抽头变压器全波整流

另一种比较常见的全波整流电路为使用中心抽头变压器（center-tapped transformer）的整流电路，也叫CT全波整流，如下图所示：

图 2-3.10 

变压器的初级和次级线圈绕组的匝数为1:2，次级线圈上会产生2倍于vi的电压，但是对于中间的抽头O点引出后，无论是AO之间还是BO之间，都只有次级线圈的一半匝数，故它们的电压vAO和vBO都等于vi

当输入电压处于正半周时，二极管D1导通，D2截止，负载R上的电压为vo等于次级线圈的一半（即AO之间）的电压，此值大小等于vi，流过R的电流方向为从右至左；当输入电压处于负半周时，二极管D2导通，D1截止，负载R上的电压为vo等于次级线圈的另一半（即BO之间）的电压，此值大小也等于vi，流过R的电流方向同样为从右至左。 输出电压vo的波形如下图所示：

图 2-3.11 

中心抽头变压器全波整流对于二极管PIV参数的要求与桥式整流不同，从前面图中可以看到，对于每个二极管，当其反偏时，要承受整个整个次级线圈的反偏电压，即2倍的vi，所以对于中心抽头变压器全波整流二极管的选型要求为：

PIV额定值 ≥ 2Vm    （中心抽头变压器全波整流）

3.   滤波与稳压

最后我们再简单介绍一下“图2-3.01”中的滤波器和稳压器。

图 2-3.12 

（1） 滤波器

滤波器（filter）可以做得很复杂，也可以做得很简单，最简单的滤波器就是一个电容。一般对于交流电源整流后滤波来讲，一个大电容基本上就够用了，如下图所示：

图 2-3.13 

上图中，输出电压vo等于滤波器的电容电压vC，我们来分析滤波过程：

（1）在全波整流的输出电压第1次到达峰值Vm以前，整流器的输出电压给电容C充电，此时vo等于整流器输出电压，如下图所示，图中灰色虚线为无滤波器时的整流器输出电压：

图 2-3.14 

（2）当整流器输出电压经过峰值Vm后，其输出电压开始变小，此时电容上存储的电压为Vm，已经超过整流器输出电压，但是由于整流器的D2和D4反向截止，电容无法向整流器放电，只能通过负载电阻RL进行放电。由于滤波电容一般都会用比较大的电容，所以通过负载RL放电的速度比较缓慢，如下图所示：

图 2-3.15 

（3）当整流器的输出电压第2次接近峰值Vm时，由于电容放电速度比较缓慢，电容电压vC比峰值Vm略低，当整流器输出电压超过电容电压时，整流器再次对电容进行充电，如下图所示：

图 2-3.16 

（4）当整流器输出电压再次小于峰值Vm时，电容再次开始放电。如此周而复始，由于输出电压vo等于电容电压vC，最终输出的电压波形如下图所示：

图 2-3.17 

这种形状的输出电压波形称为波纹电压（ripple voltage）。一般来讲，电容取得越大，波纹就越小，滤波效果越好。同时，负载RL的阻值也不能太小，否则也会因为放电速度太快而使波纹波动幅度加剧。

● 浪涌限制电阻

最后再补充一点关于浪涌（surge）的知识。在电源刚接通时，滤波电容C是未充电的，当开关SW合上的瞬间，电容相当于并联在整流器的输出电压上，会产生非常巨大的瞬间充电电流，这个称为浪涌电流（surge current）。如果开关闭合的时机正好在整流器输出电压处于峰值Vm输出的时候，会产生最糟糕的情况，此时会产生极大的浪涌电流。如下图所示：

图 2-3.18 

大的浪涌电流很可能损坏二极管，或者导致变压器前级的保险丝熔断，因此通常会在充电通路上加一个抗浪涌电阻Rsurge，以形成RC充电回路，防止充电电流过大，如下图所示：

图 2-3.19 

这个抗浪涌电阻的阻值选择比较讲究，既不能太大（阻值太大会导致这个电阻上本身产生很大的压降，而影响电源效率）；也不能太小（阻值太小会导致抗浪涌效果不好）。最好是电路启动的时候阻值比较大，以取得较好的抗浪涌效果；然后电路正常工作的时候阻值较小，以避免在抗浪涌电阻上产生过多压降。有没有这种理想的抗浪涌电阻呢？

答案是有的。通常我们用NTC（负温度系数）热敏电阻来作为抗浪涌电阻。负温度系数的特点是：温度越高，阻值越低。当电路刚启动时，温度一般为常温，NTC电阻阻值会比较大，这时抗浪涌效果会比较好。当电路工作一段时间后，流过NTC电阻的电流会导致电阻发热，使其阻值下降，这样就可以避免在抗浪涌电阻上产生过大的压降。

当然，这种用法也有缺点，就是断电后，要等一段时间，使NTC电阻冷却下来后，才能再次开启，否则初始抗浪涌的效果会变差，一般典型的冷却时间大约为1分钟左右。如果对于需要频繁开启的情况，就需要设计更复杂的抗浪涌电路。

（2）稳压器

稳压器（regulator）的作用是将滤波器输出的纹波电压，转换成比较理想的恒定直流电压，并且在即使输入电压有波动、温度有波动或负载电阻有波动时，仍能保持比较恒定的直流电压输出。

集成IC稳压器能比较好地达到这一目标，而且成本低廉（价格在几毛钱~1元不等），最常用的78XX系列稳压器可以产生5V~24V的输出电压，见下表所示。IC稳压器的输出电流通常最大可以达到1A，有的甚至可以达到5A，详情可查看具体的数据规格书。

表 2-3.01 

一个典型的完整包含“整流器、滤波器、稳压器”的可产生5V的直流电源的电路如下图示：

图 2-3.20 

上图中，C1即为滤波器，C2主要用于改善稳压器的输出暂态响应，这个电容值比较小（一般为0.1uF~1uF左右）。D1~D4可选用上一章我们提到的1N4007二极管。

● 线性电源与开关电源

上面我们分析的都是线性电源（linear power supplier），其优点是结构简单，对外界产生的干扰也较小。其缺点主要有2个：一个是重量太重（大部分重量是由铁芯变压器产生的），另一个是转换效率稍低，IC稳压器会产生一定的热量损耗，一般需要对IC稳压器做单独散热。

另一种形式的直流电源称为开关电源（SMPS），它的优点是轻便、转换效率高；缺点是会产生大量的电磁干扰（EMI），还会对配电网造成一定影响（主要是会在配电网中产生大量高次谐波并拉低功率因数）。为了抵消这些影响，开关电源必须设计得更为复杂。开关电源的工作原理与线性电源完全不同，后面如果有机会我们会将电源设计和稳压器参数单独讲一章。