二极管整流电路及桥式整流电路原理解析

二极管整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电变换成单向脉动直流电的电子电路。本书只介绍单相整流电路。

单相整流电路可分为半波、全波、桥式和倍压整流等几种常用类型，其中最基本的是单相半波整流电路，应用较广泛的是单相桥式整流电路。

为论述的方便，认为电源变压器和二极管是理想器件，即变压器的输出电压稳定，其内阻忽略不计；二极管的死区电压、正向导通电压、反向饱和电流也忽略不计；二极管加正向电压导通，加反向电压截止；负载为纯电阻性负载。

图6-2 单相半波整流电路

图6-3 单相半波整流电路的电压、电流波形

1.单相半波整流电路

单相半波整流电路如图6-2所示。

电路由电源变压器T、整流二极管VD和负载电阻R组成。变压器将电网交流电压变换成整流电路所需的交流电压。设

当电源电压处于u₂的正半周时，变压器二次绕组的a端电位高于b端电位，二极管在正向电压作用下导通，形成整流回路。电流从变压器二次绕组的a端出发，经二极管VD到负载电阻R_L，再由b端返回。有电流通过负载电阻R_L，便有电压输出，输出电压u_o=u₂。

当电源电压处于u₂的负半周时，b端电位高于a端电位，二极管VD在反向电压的作用下截止，不构成整流通路，R_L上无电流通过，没有电压输出，输出电压u_o=0。

单相半波整流电路的电压、电流波形如图6-3所示。

由此可见，此电路在正弦波的一个输入周期内，仅有半个正弦波输出，故称半波整流电路。二极管半波整流的输出波形可用示波器在负载电阻两端检测到。

经过半波整流后，输出电压的平均值为

U_o=0.45U₂式中，U_o为负载得到的直流电压；U₂为变压器二次电压的有效值。通过负载的电流平均值为

通过二极管的平均电流为I_VD=I_o，二极管截止时，所承受的最高反向电压为

单相半波整流电路的优点是电路简单、所用元器件少，缺点是输出脉动很大。因此，半波整流仅适用于对直流电源要求不高的场合。

2.单相桥式整流电路

若把交流电的正、负半周都转换为同一方向的直流，就可提高交流电的利用率，这称为全波整流。全波整流可用两只整流二极管实现，但需要将变压器的二次绕组增长一倍，中间加抽头变为两个绕组。若用4只二极管就可以利用原来变压器实现全波整流。

4只二极管构成的单相桥式整流电路如图6-4所示，称为桥式整流电路。这里给出桥式整流的二极管电路的4种画法，以便于读者识图。4种画法虽不同，但电路的连接方式相同，都是由4只性能相同的整流二极管接成电桥形式。

由电路可见，单相桥式整流电路由电源变压器T，整流二极管VD₁、VD₂、VD₃、VD₄和负载电阻R_L组成。与单相半波整波电路一样，变压器将电网交流电压变换成整流电路所需的交流电压，有

当电源电压处于u₂的正半周时，变压器二次绕组的a端电位高于b端电位，VD₁、VD₃在正向电压作用下导通，VD₂、VD₄在反向电压作用下截止。电流从变压器二次绕组的a端出发，经VD₁、R_L和VD₃，由b端返回。有电流通过负载电阻R_L，便有电压输出，输出电压u_o=u₂。(www.xing528.com)

图6-4 单相桥式整流电路

当电源电压处于u₂的负半周时，变压器二次绕组的b端电位高于a端电位，VD₂、VD₄在正向电压作用下导通，VD₁、VD₃在反向电压作用下截止。电流从变压器二次绕组的b端出发，经VD₂、R_L和VD₄，回到a端。有电流通过负载电阻R_L，便有电压输出，输出电压u_o=-u₂。

单相桥式整流电路的电压、电流波形如图6-5所示。

桥式整流的输出波形也可以用示波器在负载电阻两端检测到。

由波形可见，在交流电压u₂的整个周期内，整流器件在正、负半周各导通一次，负载R_L始终有电流通过，而且保持同一方向，得到两个半波电压和电流。所以，桥式整流电路也是一种全波整流电路。

图6-5 单相桥式整流电路的电压、电流波形

经过桥式整流后，输出电压的平均值为

U_o=0.9U₂式中，U_o为负载得到的直流电压，U₂为变压器二次电压的有效值。通过负载的电流平均值为

由于每只二极管只有半个周期导通，所以，通过各个二极管的电流的平均值为负载电流的一半，即

二极管截止时，所承受的最高反向电压

与单相半波整流电路相比，单相桥式整流电路在u₂、R_L相同的条件下，输出直流电压、电流都提高了一倍，输出脉动减小一半。但缺点是要用4个整流器件，接线较为复杂。目前，市场上已有集成的整流桥供应，这种整流桥把4个整流二极管做在一个集成电路里，性能参数比较好。

【例6-1】 要求直流负载上电压为U_o=36V，电流为I_o=1A，采用图6-4所示的单相桥式整流电路。试选用所需的整流器件。若VD₂因故损坏开路，求U_o和I_o，并画出其波形。若VD₂短路，会出现什么情况？

【解】 根据给定的条件I_o=1A，整流器件所通过的电流I_VD=I_o/2=0.5A。

变压器二次电压的有效值为

二极管所承受的最高反向电压为

因此选用的整流器件，必须是最大整流电流大于0.5A，最高反向工作电压大于56V的二极管。可选用最大整流电流为1A，最高反向工作电压为100V的2CZ11A型整流二极管。

当VD₂开路时，只有VD₁和VD₃在正半周时导通，而负半周时，VD₁和VD₃均截止，VD₄也因VD₂开路而不能导通，故电路只有半个周期导通，相当于半波整流电路，输出为桥式整流电路输出电压、电流的一半，所以U_o=18V，I_o=0.5A。

u_o和i_o波形与图6-5所示相同，只是参数不同。

当VD₂短路后，在u₂的正半周，电流的流向为a→VD₁→VD₂→b。二极管的导通压降只有0.6V，因此，变压器二次电流迅速增加，容易烧坏变压器和二极管。