整流电路基础：原理、操作与设计指南

电子设备通常包含整流电路，实现电源系统中交流转直流。此电路用于低功率设备（如电池充电器），整流低电压。

理解整流电路先学整流过程。整流将市电交流负半周变为正直流电压。搭建理想系统需选对整流器。因此理解整流器和二极管配置对建立系统至关重要。

（电子元件）

1. 什么是整流电路？

整流器是将市电交流电压转换为单向直流电压的电气装置。最简单方式是将电网交流电压变为直流电压。最重要的是，许多依赖的电器需要直流电。

“整流器”之名因其整理电流方向流向。使用电子滤波器平滑整流器输出是趋势。现代硅半导体整流器取代了硒整流器、机械整流器、氧化铜整流器、真空管整流器。

机械和真空管整流器（用于阴极射线管）因内阻高效率低。但氧化铜和硒整流器瞬态电压容忍度优于SCR（硅控整流器），是相对硅二极管的巨大优势。

（变压器交流转直流，含二极管桥和电容）

2. 整流器类型

单相与三相整流器

单相和三相整流器均经历半波整流和全波整流。

单相整流器输入单相市电交流电。结构简单，需1、2或4个二极管（视系统类型）。单相交流产生高纹波因子，因二极管连接单相变压器次级绕组，仅利用单相次级线圈整流。

三相整流器结构需3或6个二极管。所有二极管连接变压器次级绕组各相，纹波电压降低，进一步提高变压器利用因数（TUF）。

单相整流器优势

• 适合简单结构

三相整流器优势

• 大型系统首选
• 提供大功率
• 无需额外滤波元件降低射频干扰
• 高效且TUF更高

单相整流器劣势

• 输出功率小
• 变压器利用因数（TUF）低

（二极管）

半波与全波整流器

半波整流中，整流器完全阻挡脉动输入信号一半，每全周期仅提供半周。意味着一半交流电源功率浪费。半波整流单相需单二极管，三相需三个。整流电压平均值为输入电压一半。但正电压峰值与交流输入峰值相同。

半波整流器有两种设计：第一种模型交流电源直接连接输出负端；第二种交流电源直接连接输出正端。优势：高电压输出；仅用一二极管整流功率，成本低；无需电源变压器。

全波整流器

此整流器反转丢失/阻挡的负半周交流输入信号，提高输出信号平均值。将输入交流电压波形频率加倍，半桥整流器无法做到。产生波形中输入峰值与输出峰值相等。设计全波整流器常用两种方法：中心抽头变压器和二极管桥电路。也作为有源调节器，允许大部分电流流向负载电路。

优势

• 整流效率高（81.2%）
• 纹波因子低（0.48）
• TUF相对较高

劣势

• 需变压器运行
• 承受市电较大内阻
• 使用双倍二极管成本较高

波形因子：

波形因子为电流有效值与直流输出电流之比。FormFactor = RMS电流值 / 直流输出电流。全波整流器波形因子为1.11。

（半波整流器电路图）

桥式整流器

桥式整流器是交流转直流转换器，将市电交流输入整流为直流输出。桥式电路是电源中用于向电气设备和电子元件供应直流电压的整流器。简单桥式整流器通常使用负载电阻，保证流过负载电流在正负半周相等。桥式整流器是电子电源最常见部分之一。

桥式整流器排列有四个相邻二极管，称二极管桥。峰值反向电压为二极管反偏连接时负半周记录的最高电压。正半周两二极管导通，其余两个处于非导通位置。整流器输出记录在负载电阻两端。

桥式整流器优势

• 整流效率高（81.2%）
• 纹波电压低
• 桥式整流器运行无需变压器
• 与中心抽头整流器相比TUF高
• 使用简单滤波即可达到高频

劣势

• 使用四个二极管，构建成本高
• 系统电压降导致输出电压降低
• 系统配置相对复杂
• 低电压运行时经历巨大内阻

桥式整流器优秀。第一交流周期D2、D4正偏导通。D2阳极正电压，D4阴极负电压。信号前半周通过这两二极管。第二半周D1、D3正偏导通。整体效果：交流两半周均通过。负半周反相变正。

（桥式整流器）

非受控与可控整流器

非受控整流器

指对特定交流电源提供固定直流输出电压的整流器类型。仅使用二极管，可为全波受控或半波受控整流器。但效率较低，因二极管只能开或关。

可控整流器

此电路用晶闸管控制负载电源，将交流电源转为直流。半波可控整流器含单个SCR（硅控整流器）。设计同非受控整流器，但用SCR替代。半波可控整流器提供恒定功率控制，限制功率浪费。

3. 整流电路在电子学中如何工作

整流电路工作原理

整流电路简单将交流电源转为直流电源。由互锁二极管组成，形成电子单向流动为设备供电。交流流经整流电路时，二极管消除交流源负电压摆动，仅留正电压。简单二极管仅允许单向电流，阻断反向电流。

此图描绘整流二极管交流电压波形。电流波形在短电压上升和无电压周期间交替。因仅有正电压，属直流电。

（二极管桥图示）

4. 整流电路设计注意事项

设计整流电路需考虑预防措施。阐述影响整流器设计选择的最重要预防措施。

正半周

正半周阳极阴极间电压为正，二极管正偏。假设理想二极管且功率额定值恒定。峰值电压Vm指无压降峰值电压值。但需考虑特定二极管压降，如硅二极管0.7V压降。仅当输入电压超过阈值电压（0.7V）才正偏导通。峰值电压 = Vm – 0.7V（压降）。

负半周

负半周阳极阴极间电压为负，二极管反偏充当开关断开，无电流流动，输出读零电压。考虑二极管压降后，负半周二极管两端电压仍为负，输出读数仍为0V。

电压降：

市电携带大功率。电流电势通过电路时的部分功率损耗称电压降。VD = (2*L*R*I) / 1000

计算整流器散热功耗：

通常为整流过程中电压降和电阻产生的热损耗。了解电路中特定二极管压降很重要。Pheat（功率损耗） = Pmax（系统最大输出功率）/ Eff（整流模块效率） – Pmax（系统最大输出功率）。

峰值反向电压：

PIV指二极管反偏能承受最大电压。超则二极管击穿。峰值反向电压等于输入电压。PIV = 2Vs max = 2V_smax。

5. 滤波电容

滤波电容是平滑信号供应变化的系统。主要用于整流器或电源电压后。半周期内电容充放电创建平滑过渡。充电发生在正半周电流流过时。

带滤波电容的全波整流器

滤波电容改善二极管间不完整输出纹波。并联连接在二极管两端以维持负载电路稳定电压。负载置于全波桥式整流器输出端。电容增加直流输出，将整流器纹波输出转为更平滑直流输出。纹波电压与滤波电容值成反比。关系式：V_ripple = I_load/(f×C)。也可用稳压集成电路获得恒定直流供电。

5μF滤波电容

5μF滤波电容充电和电容随电路连接方式变化。并联连接电容等效电容为所有电容之和。

50μF滤波电容

同理适用50μF滤波电容。并联电路电压对所有电容相同。但50μF比5μF电容滤波效果更强。

（电容器图片）

6. 结语

本文确立了使用整流电路的广泛设备。应用包括稳压器、电源元件、幅度调制检测器（AMD）用于无线电信号。早期无线电接收机中曾称晶体检波器。希望本文解答你关于整流电路的所有问题。欢迎联系获取制作整流电路基本元件。期待协助你的项目。