不可控整流电路的原理和优化方法

不可控整流电路采用二极管作为整流器件。不可控整流电路种类很多,下面主要介绍一些典型的不可控整流电路。

1.单相半波整流电路

单相半波整流电路采有一个二极管将交流电变换成直流电，它只能利用到交流电的半个周期，故称为半波整流。单相半波整流电路如图7-1所示。

(1)工作原理

图7-1a所示为单相半波整流电路,图7-1b所示为电路中有关电压的波形。

220V交流电压送到变压器T₁一次绕组L₁两端,L₁两端的交流电压U₁的波形如图7-1b所示,该电压感应到二次绕组L₂上,在L₂上得到较低的交流电压U₂。当L₂上的交流电压U₂为正半周时,U₂的极性是上正下负,二极管VD导通,有电流流过二极管和电阻R_L,电流方向:U₂上正→VD→R_L→U₂下负;当L₂上的交流电压U₂为负半周时,U₂电压的极性是上负下正,二极管截止,无电流流过二极管VD和电阻R_L。如此反复工作,在电阻R_L上会得到图7-1b所示脉动直流电压U_L。

图7-1 单相半波整流电路

a)电路 b)波形

从上面的分析可以看出,单相半波整流电路只能在交流电压半个周期内导通,另半个周期内不能导通,即单相半波整流电路只能利用半个周期的交流电压。

单相半波整流电路结构简单,使用元器件少,但整流输出的直流电压波动大,另外由于整流时只利用了交流电压的半个周期(半波),故效率很低,因此单相半波整流常用在对效率和电压稳定性要求不高的小功率电子设备中。

(2)电路计算

由于交流电压时刻在发生变化,所以整流后输出的直流电压U_L也会变化(电压时高时低),这种大小变化的直流电压称为脉动直流电压。根据理论和实验都可得出,单相半波整流电路负载R_L两端的平均电压值为

U_L=0.45U₂

负载R_L流过的电流平均值为

例如在图7-1a所示的电路中,U₁=220V,变压器T₁的匝数比n=11,负载R_L=30Ω,那么电压U₂=220V/11=20V,负载R_L两端的电压U_L=0.45×20V=9V,R_L流过的平均电流I_L=0.45×20V/30Ω=0.3A。

对于整流电路,整流二极管的选择非常重要。在选择整流二极管时，主要考虑最高反向工作电压U_RM和最大整流电流I_RM。

在单相半波整流电路中,整流二极管两端承受的最高反向电压为U₂的峰值,即

整流二极管流过的平均电流与负载电流相同,即

例如:图7-1a所示单相半波整流电路中的U₂=20V、R_L=30Ω,那么整流二极管两端承受的最高反向电压U==1.41×20V=28.2V,流过二极管的平均电流0.45×20V/30Ω=0.3A。

在选择整流二极管时，所选择二极管的最高反向电压U_RM应大于在电路中承受的最高反向电压，最大整流电流I_RM应大于流过二极管的平均电流。因此,要让图7-1a中的二极管长时间正常工作,应选用U_RM大于28.2V、I_RM大于0.3A的整流二极管,若选用的整流二极管参数小于该值,则容易反向击穿或烧坏。

2.单相桥式整流电路

单相桥式整流电路采用4个二极管将交流电转换成直流电，由于4个二极管在电路中连接与电桥相似，故称为单相桥式整流电路。单相桥式整流电路如图7-2所示。

图7-2 单相桥式整流电路

a)电路 b)波形

(1)工作原理

单相桥式整流电路如图7-2a所示,这种整流电路用到了4个整流二极管。单相桥式整流电路工作原理分析如下:220V交流电压U₁送到变压器一次绕组L₁上,该电压经电降压感应到L₂上,在L₂上得到U₂电压,U₁、U₂电压波形如图7-2b所示。当交流电压U₁为正半周时,L₁上的电压极性是上正下负,L₂上感应的电压U₂极性也是上正下负,L₂上正下负电压U₂使VD₁、VD₃导通,有电流流过R_L,电流途径是L₂上正→VD₁→R_L→VD₃→L₂下负;当交流电压负半周来时,L₁上的电压极性是上负下正,L₂上感应的电压U₂极性也是上负下正,L₂上负下正电压U₂使VD₂、VD₄导通,电流途径是L₂下正→VD₂→R_L→VD₄→L₂上负。如此反复工作,在R_L上得到图7-2b所示脉动直流电压U_L。

从上面的分析可以看出,单相桥式整流电路在交流电压整个周期内都能导通,即单相桥式整流电路能利用整个周期的交流电压。

单相桥式整流电路输出的直流电压脉动小,由于能利用到交流电压正、负半周,故整流效率高,正因为有这些优点,故大量电子设备的电源电路采用单相桥式整流电路。

(2)电路计算

由于单相桥式整流电路能利用到交流电压的正、负半周,故负载R_L两端的平均电压值是单相半波整流的两倍,即(www.xing528.com)

U_L=0.9U₂

负载R_L流过的电流平均值为

例如,图7-2a中的U₁=220V,变压器T₁的匝数比n=11,负载R_L=30Ω,那么电压U₂=220V/11=20V,负载R_L两端的电压U_L=0.9×20V=18V,R_L流过的平均电流I_L=0.9×20V/30Ω=0.6A。

在单相桥式整流电路中,每个整流二极管都有半个周期处于截止,在截止时,整流二极管两端承受的最高反向电压为

由于整流二极管只有半个周期导通,故流过的平均电流为负载电流的一半,即

图7-2a所示单相桥式整流电路中的U₂=20V、R_L=30Ω,那么整流二极管两端承受的最高反向电压U=2U₂=1.41×20V=28.2V,流过二极管的平均电流/30Ω=0.3A。因此,要让图7-2a中的二极管正常工作,应选用U_RM大于28.2V、I_RM大于0.3A的整流二极管,若选用的整流二极管参数小于该值,则容易反向击穿或烧坏。

3.三相桥式整流电路

很多电力电子设备采用三相交流电源供电,三相整流电路可以将三相交流电变换成直流电压。三相桥式整流电路是一种应用很广泛的三相整流电路。三相桥式整流电路如图7-3所示。

图7-3 三相桥式整流电路

a)电路 b)波形

(1)工作原理

在图7-3a中,L1、L2、L3三相交流电压经三相变压器T的一次绕组降压感应到二次绕组U、V、W上。6个二极管VD₁~VD₆构成三相桥式整流电路,VD₁~VD₃的3个阴极连接在一起,称为共阴极组二极管,VD₄~VD₆的3个阳极连接在一起,称为共阳极组二极管。

电路工作过程说明如下:

1)在t₁~t₂期间,U相始终为正电压(左负右正)且a点正电压最高,V相始终为负电压(左正右负)且b点负电压最低,W相在前半段为正电压,后半段变为负电压。a点正电压使VD₁导通,E点电压与a点电压相等(忽略二极管导通压降),VD₂、VD₃正极电压均低于E点电压,故都无法导通;b点负压使VD₅导通,F点电压与b点电压相等,VD₄、VD₆负极电压均高于F点电压,故都无法导通。在t₁~t₂期间,只有VD₁、VD₅导通,有电流流过负载R_L,电流的途径是U相线圈右端(电压极性为正)→a点→VD₁→R_L→VD₅→b点→V相线圈右端(电压极性为负),因VD₁、VD₅的导通,a、b两点电压分别加到R_L两端,R_L上电压U_L的大小为U_ab(U_ab=U_a-U_b)。

2)在t₂~t₃期间,U相始终为正电压(左负右正)且a点电压最高,W相始终为负电压(左正右负)且c点电压最低,V相在前半段负电压,后半段变为正电压。a点正电压使VD₁导通,E点电压与a点电压相等,VD₂、VD₃正极电压均低于E点电压,故都无法导通;c点负电压使VD₆导通,F点电压与c点电压相等,VD₄、VD₅负极电压均高于F点电压,都无法导通。在t₂~t₃期间,VD₁、VD₆导通,有电流流过负载R_L,电流的途径是:U相线圈右端(电压极性为正)→a点→VD₁→R_L→VD₆→c点→W相线圈右端(电压极性为负),因VD₁、VD₆的导通,a、c两点电压分别加到R_L两端,R_L上电压U_L的大小为U_ac(U_ac=U_a-U_c)。

3)在t₃~t₄期间,V相始终为正电压(左负右正)且b点正电压最高,W相始终为负电压(左正右负)且c点负电压最低,U相在前半段为正电压,后半段变为负电压。b点正电压使VD₂导通,E点电压与b点电压相等,VD₁、VD₃正极电压均低于E点电压,都无法导通;c点负电压使VD₆导通,F点电压与c点电压相等,VD₄、VD₅负极电压均高于F点电压,都无法导通。在t₃~t₄期间,VD₂、VD₆导通,有电流流过负载R_L,电流的途径是:V相线圈右端(电压极性为正)→b点→VD₂→R_L→VD₆→c点→W相线圈右端(电压极性为负),因VD₂、VD₆的导通,b、c两点电压分别加到R_L两端,R_L上电压U_L的大小为U_bc(U_b-U_c)。

电路后面的工作与上述过程基本相同,在t₁~t₇期间,负载R_L上可以得到图7-3b所示的脉动直流电压U_L(实线波形表示)。

在上面的分析中,将交流电压一个周期(t₁~t₇)分成6等份,每等份所占的相位角为60°,在任意一个60°相位角内,始终有两个二极管处于导通状态(一个共阴极组二极管,一个共阳极组二极管),并且任意一个二极管的导通角都是120°。

(2)电路计算

1)负载R_L的电压与电流计算。

理论和实践证明,对于三相桥式整流电路,其负载R_L上的脉动直流电压U_L与变压器二次绕组上的电压U₂有以下关系:

U_L=2.34U₂

负载R_L流过的电流为

2)整流二极管承受的最大反向电压及通过的平均电流。

对于三相桥式整流电路,每只整流二极管承受的最大反向电压U_RM就是变压器二次电压的最大值,即

每只整流二极管在一个周期内导通1/3周期,故流过每只整流二极管的平均电流为