制作整流电路：选择合适元件进行单向全波整流测试

在各种电子设备和装置（如测量仪器、自动控制系统和电子计算机等）中，都需要稳定的直流电压，整流电路是稳定电源电路的第一步，将交流电网220V/50Hz的正弦交流电压经变压后的交流电转换为单向脉动的直流电。

利用整流二极管分别搭建（半波整流和全波整流）电路，使用万能板进行焊接、调试，并测试输出电压。

任务要求

（1）选择合适的整流二极管，变压器。

（2）搭建（半波、全波）整流电路。

（3）测试（半波、全波）整流电路。

测试环境

整流二极管若干，导线若干，万用表，变压器（12V），双踪示波器一台，万能板两块。

测试电路

测试半波整流电路如图6-1所示，全桥整流电路如图6-2 所示。图中二极管均采用1N4007。

图6-1　半波整流电路

图6-2　全桥整流电路

测试步骤

（1）测试变压器输出电压值。

（2）测试单向半波整流电路。

（3）测试单向全波（桥式）整流电路。

一、电源概述

电子电路通常由直流电源来供电，直流电源是构成电子电路的重要组成部分。直流电源的形式很多，最常用的是干电池或将交流电源变换成直流电源。比较经济实用的方法是由交流电源经过变换得到直流电源。本项目要求掌握将交流电经过变换得到直流电源的方法，以及其性能的测试方法。

（一）直流稳压电源的组成

直流稳压电源的方框图如图6-3所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。

（1）电源变压器。将交流电网提供的交流电压，变换成电子电路所需要的交流电压同时还起到直流电源与电网的隔离作用。

（2）整流电路。将变压器变换后的交流电压变换为单向脉动的直流电压。

（3）滤波电路。对整流部分输出的脉动直流电进行平滑处理，使之成为一个含纹波成分很小的直流电压。

（4）稳压电路。对滤波输出的直流电压进行调节，以维持输出电压的基本稳定。由于滤波后输出的直流电压受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此要设置稳压电路。

图6-3　直流稳压电源的方框图

（二）直流稳压电源的主要技术指标

1.特性指标

特性指标是指表明稳压电源工作特征的参数，如输入、输出电压及输出电流，电压可调范围等。

（1）最大输出电流。它主要取决于主调整管的最大允许耗散功率和最大允许工作电流。

（2）输出电压和电压调节范围。按照负载的要求来决定，如果需要的是固定电源的设备，其稳压电源的调节范围最好是小些，电压值一旦调定就不可改变。对于商用电源，其输出范围都从0V 起调，调压范围要宽些，且连续可调。

（3）效率。稳压电源本身是个换能器，在能量转换时有能量损耗，这就存在转换的效率问题。要提高效率主要是要降低调整管的功耗，这样既节能，又提高了电源的工作可靠性。

（4）保护特性。在直流稳压电源中，当负载出现过载或短路时，会使调整管损坏，因此，电源中必须有快速响应的过流、短路保护电路。另外，当稳压电源出现故障时，输出电压过高，就有可能损坏负载。因此，还要求有过压保护电路。

2.技术指标

（1）稳压系数（电压调整率）SU：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化（10%）引起输出电压的相对变化，即

式中，SU值越小，表示稳压性能越好。

（2）内阻（输出电阻）r：当负载电流变化时，电源的输出电压也会发生变化，变化数值越小越好。内阻用于表征电源对负载电流变化的抑制能力。

电源内阻rn的定义为：在输入电压不变的情况下，电源的输出电压变化量ΔUO。与输出电流变化量ΔIO之比，即

显然，rn越小，抑制能力越强。

（3）电流调整率S1：电流调整率S1是指在输入电压U1恒定的情况下，负载电流IL从零变化到最大时，输出电压UO的相对变化量的百分数，即

从上式可以看出，S1越小，说明电流的调整率越好。电流调整率的大小在一定程度上也反映了内阻rn的大小，它们都是表示在负载电流变化时，输出电压保持稳定的能力。因此，在一般情况下，二者只用其一，在较多的场合均用内阻rn。

（4）纹波系数S0：电源的输出电压中存在着纹波电压，它是输出电压中包含的交流分量。如果纹波电压太大，对音响设备就可能产生杂音，对电视就可能产生图像扭动、滚动干扰等。

输出电压中的交流分量的大小常用纹波系数S0表示，即

式中，Umn为输出电压中的交流分量基波；UO为输出电压中的直流分量。

由上式可知，S0越小，说明纹波干扰越小。

（5）温度系数ST：温度系数用来表示输出电压温度的稳定性。在输入电压UI和输出电流IO不变的情况下，由于环境温度T 变化引起输出电压UO的漂移量ΔUO与温度变化量ΔT 之比，称为温度系数ST，即

式中，ST越小，说明电源输出电压随温度变化而产生的漂移量越小，电源工作就越稳定。

（三）稳压电源的分类

目前生产的电源种类有很多，对于品种繁多的稳压电源可以从不同的角度去分类。按输出电源的类型，可分为直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式，可分为串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态，可分为线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型，可分为简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。

二、整流电路

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路等。

（一）单相半波整流电路

在分析整流电路时，为了突出重点，简化分析过程，一般均假定负载为纯电阻性；整流二极管为理想二极管，即加正向电压导通，且正向电阻为零，外加反向电压截止，且反向电流为零；变压器无损耗，内部压降为零等。

1.工作原理

图6-4　半波整流电路

图6-5　半波整流电路工作波形

2.主要参数

在研究整流电路时，至少应考查整流电路输出电压平均值和输出电流平均值两项指标，有时还需考虑脉动系数，以便定量反映输出波形脉动的情况。

解得

负载电流的平均值为

图6-6　半波整流工作波形分析

例如，当变压器副边电压有效值U2=20V 时，单相半波整流电路的输出电压平均值Uo（AV）≈9V。若负载电阻RL=20Ω，则负载电流平均值Io（AV）=0.45A。

整流输出电压的脉动系数S 定义为输出电压的基波峰值Uo1M与输出电压平均值Uo（AV）之比，即

因而S 越大，脉动越大。

说明半波整流电路的输出脉动很大，其基波峰值约为平均值的1.57%。

3.二极管的选择

当整流电路的变压器副边电压有效值和负载电阻值确定后，电路对二极管参数的要求也就确定了。一般应根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。

在单相半波整流电路中，二极管的正向平均电流等于负载电流平均值，即

二极管承受的最大反向电压等于变压器副边峰值电压，即

一般情况下，允许电网电压有±10%的波动，即电源变压器原边电压在198～242V 范围内波动。因此在选用二极管时，对于最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UBR均应至少留有10%的余地，以保证二极管安全工作，即选取

单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。但是由于它只利用了交流电压的半个周期，因此输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低。因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不髙的场合。

【例6-1】在图6-4所示整流电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω，试问：

（1）负载电阻Rl上的电压平均值和电流平均值各为多少？

（2）电网电压波动范围是±10%二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？

解：（1）负载电阻上电压平均值为

流过负载电阻的电流平均值为

（2）二极管承受的最大反向电压为

二极管流过的最大平均电流为

（二）单相桥式整流电路

为了克服单相半波整流电路的缺点，在实用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。

1.单相桥式整流电路的组成

单相桥式整流电路由4只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压u2的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。若要达到这一目的，则需在u2的正、负半周内正确引导流向负载的电流，使其方向不变。设变压器副边两端分别为A 和B，则A 为“+”、B为“-”时应有电流流出A 点，A 为“-”、B为 “+”时应有电流流入A 点；相反，A 为“+”、B为“-”时应有电流流入B点，A 为“-”、B为“+”时应有电流流出B点。因而A 和B点均应分别接两只二极管，以引导电流，如图6-7所示。将负载接入的方式如图6-8（a）所示为习惯画法，图6-8（b）所示为简化画法。

图6-7　单相桥式整流电路的构成思路和电路组成

图6-8　单相桥式整流电路的习惯画法和简化画法

2.工作原理

图6-9　单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形

3.输出电压平均值Uo（AV）和输出电流平均值Io（AV）

根据图6-9中所示u2的波形可知，

输出电压的平均值为

解得：

由于桥式整流电路实现了全波整流电路，它将u2的负半周也利用起来，因此在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流电路的两倍。

输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值）为(www.xing528.com)

在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。

4.二极管的选择

单向桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期内导通有通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即

与半波整流电路中二极管的平均电流相同。根据图6-9中所示uVD的波形可知，二极管承受的最大反向电压

与半波整流电路中二极管承受的最大反向电压也相同。

考虑到电网电压的波动范围为±10%，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流IF和最高反向工作电压UR分别为

单相桥整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，因此得到相当广泛的应用。目前有不同性能指标的集成电路，称为整流 “桥堆”。它的主要缺点是所需二极管的数量多，由于实际上二极管的正向电阻不为零，必然使得整流电路内阻较大，当然损耗也较大。

【例6-2】在图6-8所示电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω。试问：

（1）输出电压与输出电流平均值各为多少？

（2）当电网电压波动范围为±10%时，二极管的最大整流平均电流IF与最高反向工作电压UR至少应选取多少？

解：（1）输出电压平均值为

输出电流平均值为

（2）二极管的最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR分别应满足

三、滤波电路

整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压转换为平滑的直流电压。与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点是：均采用无源电路；理想情况下，在滤波后只保留直流成分，而滤去所有交流成分；能够输出较大电流；而且，因为整流管工作在非线性状态（即导通或截止），故滤波特性的分析方法也不尽相同。

电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即构成电容滤波电路，如图6-10（a）所示。滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。

图6-10　单相桥式整流电容滤波电路及稳态时波形分析

1.滤波原理

当变压器副边电压u2处于正半周并且数值大于电容两端电压uc时，二极管VD1、VD3导通，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C 充电。因为在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uc（uO）与u2相等，如图6-10（b）中曲线的ab段。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压uc也开始下降，趋势与u2基本相同，如图6-10（b）中曲线的bc段。但是由于电容按指数规律放电，因此当u2下降到一定数值后，uc的下降速度小于u2的下降速度，使uc大于u2，从而导致VD1、VD3反向偏置而变为截止。此后，电容C 继续通过RL放电，uc按指数规律缓慢下降，如图6-10（b）中曲线的cd段。

当u2的负半周幅值变化到恰好大于uc时，VD2、VD4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C 充电，uc上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时VD2、VD4，变为截止，C 对RL放电，uc按指数规律下降；放电到一定数值时VD1、VD3变为导通，重复上述过程。

从图6-10（b）所示波形可以看出，经滤波后的输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。若考虑变压器内阻和二极管的导通电阻，则uc的波形如图6-10（c）所示，阴影部分为整流电路内阻上的压降。

由以上分析可知，电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，即变压器内阻和二极管的导通电阻，其数值很小，因而时间常数很小。电容放电时，回路电阻为RL，放电时间常数为RLC，通常远大于充电的时间常数。因此，滤波效果取决于放电时间。电容越大，负载电阻越大，滤波后输出电压越平滑，并且其平均值越大，如图6-11所示。换言之，当滤波电容容量一定时，若负载电阻减小（即负载电流增大），则时间常数RLC 减小，放电速度加快，输出电压平均值随即下降，且脉动变大。

图6-11　不同放电时间常数时的uO波形

2.输出电压平均值

滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可将图6-10（c）所示波形近似为锯齿波，如图6-12所示。

图6-12中，T 为电网电压的周期。设整流电路内阻较小而RLC 较大，电容每次充电均可达到u2的峰值（即Uomax=2U），然后按RLC 放电的起始斜率直线下降，经RLC交于横轴，且在T/2处的数值为最小值UOmin，则输出电压平均值为

同时按相似三角形关系可得：

因而

上式表明，当负载开路，即RL=∞时，UO（AV）=2U2；当RLC=（3～5）T/2时，

图6-12　电容滤波电路输出电压平均值分析

【例6-3】某单相桥式整流电容滤波电路要求输出直流电压30V，电流0.5A，试选择滤波电容的规格，并确定最大耐压值。（交流电源220V、50Hz）。

解：RLC ≥（3～5）T/2，其中

取电容标称值为1000μF，则

电容耐压为

最后确定选1000μF/50V 的电解电容器一只。