整流电路的组成及各元件的作用
一、整流电路的组成及各元件的作用
1、二极管整流电路的组成
组成二极管整流电路的基本元件有电源变压器、二极管整流元件、滤波元件及取用直流电能的负载。
2、整流电路各元件的作用
1）电源变压器
电源变压器即整流变压器，用来把电源电压(380/220V或更高的电压)变换到符合整流电路输出电压所需要的大小。
2）二极管整流元件
利用其单向导电性，把交变电流变换成单方向的电流。
3）滤波元件
经二极管整流元件变换成的单方向电流或电压，是一种单向脉动电流或脉动电压。这种脉动电流中除了直流分量以外，还含有交流分量。滤波元件的作用就是去掉脉动电流中的交流分量。
二、单相半波整流电路
只将单相交流电压的半个周期变换成直流电压的整流称为单相半波整流。
1、单相半波整流电路的组成
单相半波整流电路由整流变压器B、二极管整流元件D和负载电阻Rf等所组成，如下图(a)所示。
2、单相半波整流电路的工作过程
设变压器二次侧的电压为u=√2 Usinωt，其波形如上图(b)所示。并设u在正半周时变压器二次侧a点为正，b点为负；负半周时b点为正，a点为负。根据二极管的单向导电性，即只有当它的阳极电位高于阴极电位时才能导通的特点可以看出:在的u的正半周(0-π期间)，二极管导通，有电流iD和i0通过二极管和负载；在u的负半周(π-2π期间)，二管因承受反向电压而截止，二极管和负载都没有电流通过。到交流电的下一个周期，又重复上述导通与截止的过程。
上图(a)的电路能实现把交流电压或电流变换成单方向电压或电流的作用。由于这个电路只在交流电一个周期中的半个周期内有单方向的电能输出，所以是一个单相半波整流电路，其输出波形如上图(c)所示。
3、单相半波整流电路的输出电压、电流
整流电路输出电压和输出电流的大小是以它在一个周期内的平均值来衡量的。因此在略去了二极管导通时的管压降(硅管约0.5V、锗管约0.2V)，单相半波整流电路的输出电压和输出电流的平均值U0和I0分别为U 0 =√2/π=0.45U，I~0~=U~0~/R~f~=0.45U/R~f~
式中U为变压器二次侧电压的有效值，V；Rf为负载电阻，Ω。
4、通过二极管的电流
单相半波整流电路中，整流二极管是和负载串联的，因此通过二极管的电流和电路的输出电流(即通过负载的电流)是一样的，其平均值I D =I 0 ，其最大值为I DM =√2 U/Rf
5、二极管上的最大反向电压
整流二极管在u的负半周时截止，并承受反向电压，其最大反向电压为U DRM =√2U。
三、单相全波整流电路
将整个周期的单相交流电压变换成直流电压的整流称为单相全波整流。实现单相全波整流的电路有两种：单相全波整流电路和单相桥式整流路。
1、单相全波整流电路的工作过程
从下图(a)可以看出，单相全波整流电路实质上是由两个半波整流电路所组成的。变压器B的次级绕组有中心抽头o，其两部分绕组ao、bo完全对称，因此电压Uao与Ubo大小相等，只是相位差180^o^,即Uao=√2Usinωt，Ubo=√2Usin(ωt-180^o^)
设交流电正半周时a点为正，b点为负；负半周时b点为正，a点为负。于是0-π的半周内，D1导通，D2截止；在π-2π的半周内，D1截止，D2导通。在交流电的一周期内，D 1 、D2轮流导通半个周期，使负载Rf在一个周期内(0-2π期间)都有同一方向的电流通过，从而实现单相全波整流。
单相全波整流电路工作时，各电压、电流波形见上图(b)-(e)。
2、单相桥式整流电路的工作过程
如上图所示，设变压器二次侧电压u=√2sinωt。正半周时，a点为正、b点为负；负半周时，b点为正、a点为负。因此在u的正半周，D 1 、D3导通，D 2 、D4截止；在u的负半周，D 1 、D3截止，D 2 、D4导通。由于在交流的一个周期内，D 1 、D3和D 2 、D4轮流导通半个周期，使负载Rf在一个周期内都有同一方向的电流通过，从而实现单相全波整流。
单相桥式整流电路工作时，各电压、电流波形与上图(b)-(e)相似。
3、单相全波整流电路的输出电压、电流
与单相半波整流电路相比，全波整流电路在整个周期内均有输出，因此输出电压、电流的平均值U 0 、I0必然增加一倍，即
U 0 =2x0.45U=0.9U，I~0~=U~0~/R~f~=0.9U/R~f~
式中U为变压器二次侧电压的有效值，V；Rf为负载电阻，Ω。
4、通过二极管的电流
由于D 1 、D3和D 2 、D4在一周期中只导通半周，所以通过二极管的电流ID和单相半波电路相同。I D =1/2I 0 =0.45U/Rf
5、二极管上的最大反向电压
1）在单相全波整流电路中，每个二极管在截止时所承受的最大反向电压为U DRM =√2(Uao+Ubo)=2√2U
2）在单相桥式整流电路中，每个二极管在截止时所承受的最大反向电压为U DRM =√2U
四、三相半波整流电路
1、三相半波整流电路的工作过程
如下图(a)所示，三相整流变压器初级绕组作三角形连接，次级绕组作星形连接，每相一个二极管。
从上图(b)可以看出，三相半波整流电路输出波形的脉动比任何一种单相整流电路都要小。
在t 1 -t2期间，ua为正，并且最大，即a点电位最高，所以D1导通。如略去D1管的管压降，则N与a点等电位，此时D 2 、D3的阳极虽为正，由于阴极(N点)的电位更高，所以D 2 、D3处于截止。电流由a流出经D1到N点，通过负载Rf回到0点。作用在负载上的电压u 0 =ua。
同理、在t 2 -t3期间，ub为正，并且最大，二极管D2导通，D 1 、D3截止，电流由b经D2到N点，通过负载Rf回到0点，此时u 0 =u b 。
在t 3 -t4期间，uC为正，并且最大，二极管D3导通，D 1 、D2截止，电流由c经D3到 N点，通过Rf回到0点。
在t4以后，又依次重复上述过程。可见在交流电变化的一周期内，三个二极管D 1 、D 2 、D3轮流导通，每个二管导通时间为1/3周期。
2、三相半波整流电路的输出电压、电流
通过数学推导，可求得输出电压、输出电流的平均值为
U 0 =3√6U/2π=1.17U，I~0~=U~0~/R~f~ =1.17U/R~f~
式中U为变压器次级绕组的相电压，V；Rf为负载电阻，Ω。
3、通过二极管的电流
由于每个二极管在一个周期的时间内，只导通1/3周期。所以通过每个二极管电流的平均值ID为I0的1/3，即I D =1/3 I0
4、每个二极管上的反向电压
每个二极管在截止期间，例如D1导通，D 2 、D3截止时，N与a点等电位，作用在D 2 、D3上的反向电压分别为u ab 、u ac ，而u ab 、uac为变压器二次侧的线电压(u为相电压)，所以加在每个二极管上的最大反向电压也就是线电压的最大值，即U DRM =√3(√2U)=2.45U
这种整流电路中的变压器利用率不高，而且脉动仍较大。
五、三相桥式整流电路
1、三相桥式整流电路的工作过程
三相桥式整流电路如上图所示。
在t 1 -t2期间，ua为正值，u b 、uc为负值，且ub比uc负得更多。因此D 1 、D4正向导通，有电流经a-D 1- d-R f -e-D 4 -b通过。如略去二极管的管压降，d与a等电位且最高；e点与b点等电位且最低，因此D 2 、D 3 、D 5 、D6处于截止状态。
在t 2 -t3期间，ua仍为正最大(此时ub也逐渐由负半周转向正半周)，uc向负最大值上升。电路中电位最低点已由b点转到c点，因此有D 1 、D6两个二极管导通。而D 2 、D 3 、D 4 、D5截止。
总之，在三相交流电变化的过程中，阳极电位处于正最大(相比另一相而言)、或阴极电位处于最负(与另一相相比负得更多)的二极管就会导通。因此在三相桥式电路的任一瞬间总有两只二极管导通，而另四只二极管截止。在导通的两只二极管中，一只属共阴极组(即D 1 、D 3 、D5的阴极连在一起的一组二极管)，另一只属共阳极组(即D 2 、D 4 、D6的阳极连在一起的一组二极管)。每个二极管导通的时间是1/3周期。
2、三相桥式整流电路输出电压、电流
三相桥式整流电路输出电压波形(也可视作电流波形)如上图(b)所示，明显可见脉动程度比三相半波更小。
通过数学推导，可求得输出电压U 0 、输出电流I0的平均值为
U 0 =3√6U/π=2.45U，I~0~=U~0~/R~f~ =2.45U/R~f~
式中U为变压器次级绕组的相电压，V；Rf为负载电阻，Ω。
3、通过二极管的电流
I D =1/3 I0
4、每个二极管上的最大反向电压
加在每个二极管上的最大反向电压即为线电压的最大值，即
U DRM =√3(√2U)=2.45U
桥式整流电路的输出电压、输出电流比半波整流电路大一倍，但通过二极管的电流和最大反向电压与之相同。
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