半波整流电路图及工作原理

只看该作者 · 2024-1-29 21:48

什么是半波整流器？
半波整流器是指只允许交流电压波形的一个半周期通过，阻塞另一个半周期的整流器。半波整流器用于将交流电压转换为直流电压，只需要一个二极管即可构成。
整流器是一种将交流电(AC)转换为直流(DC)的装置。它是通过使用一个二极管或一组二极管完成的。半波整流器使用一个二极管，而全波整流器使用多个二极管。
半波整流器的工作利用了二极管只允许电流流向一个方向的事实。
半波整流器理论
半波整流器是可用的最简单的整流器形式。我们将看到一个完整的半波整流电路后-但让我们首先了解这种类型的整流正在做什么。
下图说明了半波整流器的基本原理。当一个标准的交流波形通过一个半波整流器，只有一半的交流波形保留。半波整流器只允许交流电压的一个半周期(正半周期或负半周期)通过，并将阻断直流侧的另一个半周期，如下所示。

构造半波整流器只需要一个二极管。实质上，这就是半波整流器所做的全部工作。
由于直流系统的设计是让电流流向一个单一的方向(和恒定的电压-我们将在后面描述) ，通过直流设备使用正负周期的交流波形可能会产生破坏性(和危险)的后果。因此，我们采用半波整流器将交流输入功率转换成直流输出功率。
但是二极管只是其中的一部分——一个完整的半波整流电路由三个主要部分组成:

变压器
电阻负载
二极管

半波整流电路图如下:

我们现在将通过一个半波整流器如何将交流电压转换为直流输出的过程。
首先，一个高的交流电压被施加到降压变压器的初级一侧，我们将得到一个低电压在二次绕组将适用于二极管。

在正半周期的交流电压，二极管将正向偏置和电流流过二极管。在负半周期的交流电压，二极管将反向偏置和电流流动将被阻塞。次级侧(DC)的最终输出电压波形如上图3所示。
乍一看，这可能会让人感到困惑——所以让我们更深入地研究一下这个理论。
我们会专注于电路的第二面。如果我们用一个源电压取代二次变压器线圈，我们可以简化半波整流器的电路图如下:

现在我们没有变压器部分的电路分散我们的注意力。
对于交流电源电压的正半周期，等效电路有效地成为:

这是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。
但是对于交流电源电压的负半周期，等效电路变成:

因为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，我们现在有一个开放的电路。由于在此期间电流不能流过负载，所以输出电压等于零。
这一切都发生得很快-因为交流电波形将振荡之间的积极和消极很多次每秒钟(取决于频率)。
下面是输入端(Vin)的半波整流器波形，以及整流后输出端(Vout)的半波整流器波形(即从 AC 到 DC 的转换) :

上图实际上显示了一个正半波整流器。这是一个半波整流器，只允许正半周期通过二极管，并阻塞负半周期。
正半波整流器前后的电压波形如下图4所示。

相反，负半波整流器只允许负半周期通过二极管，并将阻塞正半周期。正半波整流器和负半波整流器的唯一区别是二极管的方向。
正如你在下面的图5中看到的，二极管现在在相反的方向上。因此，现在只有当交流波形处于负半周期时，二极管才会有正向偏置。

半波整流电容滤波器
由上述理论得到的输出波形为脉动直流波形。这是什么是获得时，使用一个半波整流器没有过滤器。
滤波器是用来将(平滑)脉动直流波形转换为恒定直流波形的组件。他们通过抑制波形中的直流波纹来达到这个目的。
虽然半波整流器无滤波器在理论上是可行的，但它们不能用于任何实际应用。由于直流设备需要一个恒定的波形，我们需要“平滑”这种脉动波形，使其在现实世界中有任何用途。
这就是为什么实际上我们使用带滤波器的半波整流器。电容器或电感可用作滤波器，但最常用的是带电容滤波器的半波整流器。
下面的电路图显示了如何使用电容滤波器将脉动的直流波形平滑为恒定的直流波形。

半波整流器公式
现在我们将根据前面的理论和图形推导出半波整流器的各种计算公式。
半波整流器的纹波系数
“纹波”是在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。即使我们尽力去除所有的交流元件，仍然有一些少量的输出端脉动的直流波形。这种不受欢迎的交流分量被称为“涟漪”。
为了量化半波整流器在多大程度上可以将交流电压转换为直流电压，我们使用纹波因子(表示为 γ 或 r)。纹波因子是指整流器的交流电压(输入端)与直流电压(输出端)的有效值之比。
波动系数的公式是:

也可以重新排列为:

半波整流器的纹波系数为1.21(γ = 1.21)。
注意，对于我们构建一个好的整流器，我们要保持纹波系数尽可能低。这就是为什么我们使用电容器和电感器作为滤波器，以减少电路中的涟漪。
半波整流器的效率
整流效率(η)是输出直流功率与输入交流功率之比。效率的公式等于:

半波整流器的效率等于40.6% (η max = 40.6%)
半波整流器的有效值
为了推导出半波整流器的有效值，需要计算负载电流。如果瞬时负荷电流等于 iL = Imsinωt，则负荷电流(IDC)的平均值等于:

其中 IM 等于负载的峰值瞬时电流(Imax)。因此，通过负载获得的输出直流电流(IDC)是:

对于半波整流器，有效值负载电流(Irms)等于平均电流(IDC)乘以 π/2。因此，半波整流器的负载电流(Irms)的有效值是

其中 IM = Imax，等于负载的峰值瞬时电流。
半波整流器的峰值反电压
峰值反向电压(PIV)是二极管在反向偏置条件下所能承受的最大电压。如果施加的电压大于 PIV，二极管将被破坏。
半波整流器的形状系数
形状系数(F.F)是 RMS 值和平均值之间的比率，如下表所示:

半波整流器的形状因子等于1.57(即 F.F = 1.57)。
输出直流电压
负载电阻器的输出电压(VDC)表示如下:

半波整流器的应用
虽然半波整流器并不像全波整流器那样常用，但它们仍有一些用途:

修正申请
用于信号解调应用
用于信号峰值应用

半波整流器的优点
半波整流器的主要优点是简单。因为它们不需要那么多组件，所以安装和构造它们更简单、成本更低。
因此，半波整流器的主要优点是:

简单(组件数量较少)
更便宜的前期成本(因为他们的设备较少。虽然随着时间的推移，由于电力损耗的增加，成本会更高)

半波整流器的缺点
半波整流器的缺点是:

每个正弦波只允许一个半周期通过，而另一个半周期被浪费了，这就导致了能量损失。
它们产生低输出电压。
我们得到的输出电流不是纯直流的，它仍然包含大量的纹波(即它有一个高纹波因子)

三相半波整流器
上述理论都是针对单相半波整流器的。三相半波整流器虽然原理相同，但特点不同。波形、纹波因子、效率和有效值是不一样的。
三相半波整流器用于将三相交流电源转换为直流电源。这里的开关是二极管，因此它们是不受控制的开关。也就是说，没有办法控制这些开关的开关时间。
三相半波整流器一般采用三相电源连接三相变压器构成，变压器的二次绕组始终通过星形连接。这是因为中性点需要将负载连接回变压器次级绕组，为电力流提供回路。
提供纯电阻负载的三相半波整流器的典型结构如下所示。在这里，变压器的每个阶段被认为是一个单独的交流电源。电压的模拟和测量如下面的电路所示。在这里，我们已经连接了一个单独的电压表跨越每个电源以及跨越负载。

三相电压如下所示。

电阻负载的电压显示如下。电压显示为黑色。

所以我们可以从上图中看到，当 R 相的电压值高于其他两个相的电压值时，二极管 D1进行传导，这种情况开始于 R 相在30度时，并在每个完整周期后重复。也就是说，下一次二极管 DI 开始导通是在390度。二极管 D2从 D1接管传导，D1在150度角停止传导，因为此时 B 相的电压值比其他两相的电压值高。因此，每个二极管的导电角度为150o-30o = 120o。
在这里，由此产生的直流电压信号的波形不是纯粹的直流，因为它不是平坦的，而是它包含一个纹波。纹波频率为3 × 50 = 150Hz。
输出电压通过电阻负载的平均值由

输出电压的有效值由

纹波电压等于,

电压纹波因子等于,
上述公式表明，电压纹波是显着的。这是不可取的，因为这导致不必要的功率损失。
直流输出电源,

交流输入电源,

效率,

虽然三相半波整流器的效率似乎很高，但仍然低于三相全波二极管整流器的效率。虽然三相半波整流器比较便宜，但是相对于高功率损耗所造成的经济损失来说，这种成本节约是微不足道的。因此，三相半波整流器在工业上并不常用。