二极管整流电路 (笔记)电路设计(七)之整流二极管的应用

背景:为统筹电路设计较全面的知识点,本人将在近期推出电路设计中各种常用器件与设计理念,如基本元器件电阻、电容、电感、二极管保护,存储器件SDRAM、FLASH,PCB设计工艺DCDC电源、PCB板布线设计工艺等,希望能为大家提供些许参考。

一、整流二极管

①整流二极管:一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结,有阳极和阴极两个端子。

②P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子,在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时,位垒降低,位垒两侧附近产生储存载流子,能通过大电流,具有低的电压降(典型值为0.7V),称为正向导通状态。

③若加相反的电压,使位垒增加,可承受高的反向电压,流过很小的反向电流(称反向漏电流),称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。

④整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高,反向漏电流小,高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造。这种器件的结面积较大,能通过较大电流(可达上千安)二极管整流电路,但工作频率不高,一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频整流电路。

二、整流二极管整流电路分析

电力网供给用户的是交流电,而各种无线电装置需要用直流电。整流,就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件,可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。下面介绍利用晶体二极管组成的各种整流电路。

1、半波整流电路

(图1)半波整流电路

图1是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻RL组成。变压器把市电电压(多为220V或380V)变换为所需要的交变电压u2,D再把交流电变换为脉动直流电。 半波整流原理:变压器砍级电压u2,是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压,它的波形如图1所示。在0~K时间内,u2为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通,u2通过它加在负载电阻RL上,在π~2π时间内,u2为负半周,变压器次级下端为正,上端为负。这时D承受反向电压,不导通,RL上无电压。在π~2π时间内,重复0~π时间的过程,而在3π~4π时间内,又重复π~2π时间的过程。这样反复下去,交流电的负半周就被“削”掉了,只有正半周通过RL,在RL上获得了一个单一右向(上正下负)的电压,从而达到了整流的目的,但是,负载电压Usc以及负载电流的大小还随时间而变化,因此,通常称它为脉动直流。

这种除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流。不难看出,半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的,电流利用率很低(计算表明,整流得出的半波电压在整个周期内的平均值,即负载上的直流电压Usc=0.45e2)因此常用在高电压、小电流的场合,而在一般无线电装置中很少采用。

2、全波整流电路(单向桥式整流电路)

如果把整流电路的结构作一些调整,可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。

(图2)全波整流电路

全波整流电路,可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头,把次组线圈分成两个对称的绕组,从而引出大小相等但极性相反的两个电压。如图2所示,全波整流不仅利用了正半周,而且还巧妙地利用了负半周,从而大大地提高了整流效率(Usc=0.9e2,比半波整流时大一倍)。

注:图2所示的全波整滤电路,需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头,这给制作上带来很多的麻烦。另外,这种电路中,每只整流二极管承受的最大反向电压,是变压器次级电压最大值的两倍,因此需用能承受较高电压的二极管。

3、桥式整流电路

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路,只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。


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