大佬经验总结！半波整流电路原理详解+参数与计算公式

硬件笔记本 2024-01-18 07:53

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今天给大家详细地讲一下半波整流电路。

什么是半波整流电路？

半波整流电路的基本操作非常简单，输入信号通过二极管，由于只能通过一个方向的电流，二极管的整流作用，单个二极管只允许通过一半的波形。

下图说明了半波整流电路的基本原理。

半波整流电路工作图

当标准交流波形通过半波整流电路时，只剩下一半的交流波形。半波整流电路仅允许交流电压的一个半周期（正半周期或负半周期）通过，并将阻止直流侧的另一个半周期。只需要一个二极管就可以构成一个半波整流电路。本质上，这就是半波整流电路所做的一切。

半波整流电路原理

一个完整的半波整流电路由3个部分组成：变压器、阻性负载、二极管。

半波整流电路

半波整流电路原理：

如何将交流电压转化为直流电压？

先将高交流电压施加到降压变压器的初级侧，在次级绕组处获得将施加到二极管的低电压。

半波整流电路接线图

在交流电压的正半周期间，二极管将正向偏置，电流流过二极管。在交流在交流电压的负半周期间，二极管将反向偏置，电流将被阻断。次级侧 (DC) 的最终输出电压波形，如上图所示。

之后专注于电路的次级侧，如果用源电压代替次级变压器线圈，可以将半波整流器的电路图简化为下图。

半波整流电路原理

现在没有电路的变压器分散我们的注意力。对于交流电源电压的正半周期，等效电路有效地变为下图：

等效电路图

因为二极管是正向偏置的，因此允许电流通过。所以我们有一个闭合电路。

但对于交流电源电压的负半周，等效电路变为：

等效电路图

整流二极管现在处于反向偏置模式，所以没有电流能够通过它。因此，现在有一个开路。由于这段时间内电流不能流过负载，输出电压为零。这会发生得非常快——因为交流波形每秒会在正负之间多次振荡（取决于频率）。这是半波整流电路波形在输入侧 (V_in) 的样子，以及在整流后（即从 AC 到 DC 的转换）在输出侧 (V_out) 的样子：

半波整流电路波形图

正半波整流前后的电压波形如下图所示。

半波整流电路电压波形图

相反，负半波整流器将只允许负半波通过二极管，并将阻止正半波。正半波整流器和负半波整流器之间的唯一区别是二极管的方向。如在上图中看到的，二极管现在处于相反的方向。因此，二极管现在将仅在交流波形处于其负半周期时才正向偏置。

半波整流电路参数与计算公式

半波整流电路的纹波系数

“纹波”是将交流电压波形转换为直流波形时剩余的不需要的交流分量。尽管我们尽最大努力去除所有交流分量，但在输出侧仍有少量残留物会产生直流波形的脉动。这种不受欢迎的交流分量称为“纹波”。

为了量化半波整流器将交流电压转换为直流电压的能力，我们使用所谓的纹波系数（由 γ 或 r 表示）。纹波系数是整流器交流电压（输入侧）与直流电压（输出侧）的RMS值之比。

二极管的纹波系数的公式为：

整流二极管的波纹系数公式

也可以重新排列为下面的等式：

整流二极管的波纹系数公式

半波整流器的纹波系数等于1.21（即γ=1.21）。

请注意，为了构建一个好的整流器，我们一般希望将纹波系数保持在尽可能低的水平。这就是为什么我们使用电容和电感作为滤波器来减少电路中的纹波。

半波整流电路的效率

整流器效率 (η) 是输出直流功率与输入交流功率之比。效率的公式等于：

半波整流电路的效率

半波整流器的效率等于 40.6%（即 η max = 40.6%）

半波整流电路的有效值

为了得出半波整流器的 RMS 值，我们需要计算负载上的电流。如果瞬时负载电流等于 i L = I_msinωt，则负载电流的平均值 (I_DC ) 等于：

半波整流电路的负载电路的有效值

其中I_m等于负载上的峰值瞬时电流 (I_max )。因此，负载上获得的输出直流电流 (I_DC ) ：

输出直流电流公式

对于半波整流器，RMS 负载电流 (I_rms ) 等于平均电流 (I_DC ) 乘以 π/2。因此，半波整流器的负载电流 (I_rms) 的 RMS 值为：

负载电流 (I_rms ) 的 RMS公式

其中 I_m = I_max等于负载上的峰值瞬时电流。

半波整流电路的峰值反向电压

峰值反向电压 (PIV) 是二极管在反向偏置条件下可以承受的最大电压。如果施加的电压超过 PIV，二极管将被破坏。

半波整流整流电路的形状因素

形状因数（FF）是有效值与平均值的比值，如下式所示：

半波整流电路的形状因数（FF）

半波整流器的形状因子等于 1.57（即 FF=1.57）。

半波整流电路的输出电压

负载电阻上的输出电压 (V_DC )表示为：

半波整流电路输出电压计算公式

半波整流电路应用

虽然半波二极管整流电路基本上使用单个二极管，但二极管周围有一些电路差异，具体取决于应用。

电源整流

当用于电源整流时，半波整流电路如果要以任何方式为设备供电，则与变压器一起使用。通常在此应用中，输入交流波形是通过变压器提供的。这用于提供所需的输入电压。

AM解调

一个简单的半波二极管整流器可用于调幅信号的信号解调。整流过程使幅度调制得以恢复。当半波整流电路用于幅度调制检测时，该电路显然需要与收音机中的其他电路接口。

峰值检测

半波二极管电路通常用作简单的电压峰值检测器。通过在输出负载上放置一个电容，电容器将充电至峰值电压。如果 CR 网络、电容器和负载电阻的时间常数比波形周期长得多或足以捕获变化波形的峰值，则电路将保持电压峰值。

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