电子电路 - 全波整流器

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对正半周和负半周进行整流的整流电路可以称为全波整流器，因为它对整个周期进行整流。全波整流器的结构可以分为两种类型。他们是

• 中心抽头全波整流器
• 桥式全波整流器

它们都有各自的优点和缺点。现在让我们回顾一下它们的构造并使用它们的波形来了解哪一个更好以及为什么。

中心抽头全波整流器

变压器次级抽头以获得所需输出电压的整流器电路，交替使用两个二极管来对整个周期进行整流，称为中心抽头全波整流器电路。与其他情况不同，这里的变压器是中心抽头的。

中心抽头变压器的特点是 -

• 通过在次级绕组的中点拉出引线来完成分接。通过这样做，该绕组被分成相等的两半。

• 抽头中点处的电压为零。这形成了一个中性点。

• 中心抽头提供两个独立的输出电压，它们大小相等但极性相反。

• 可以拉出许多条带以获得不同级别的电压。

带有两个整流二极管的中心抽头变压器用于构造中心抽头全波整流器。中心抽头全波整流器的电路图如下所示。

CT-FWR 的工作原理

通过上图可以了解中心抽头全波整流器的工作原理。当施加输入电压的正半周期时，变压器次级的 M 点相对于 N 点变为正值。这使得二极管 $D_1$ 正向偏置。因此，电流 $i_1$ 通过负载电阻从 A 流向 B。现在输出中有正半周期

当施加输入电压的负半周期时，变压器次级的 M 点相对于 N 点变为负值。这使得二极管 $D_2$ 正向偏置。因此，电流 $i_2$ 通过负载电阻从 A 流到 B。现在，即使在输入的负半周期期间，输出也具有正半周期。

CT FWR波形

中心抽头全波整流器的输入和输出波形如下。

从上图可以看出，正半周和负半周都获得了输出。还可以观察到，负载电阻两端的输出在两个半周期内都处于相同方向。

峰值反向电压

由于半次级绕组上的最大电压为 $V_m$，因此整个次级电压出现在不导通二极管上。因此，峰值反向电压是半次级绕组上最大电压的两倍，即

$$PIV=2V_m$$

缺点

中心抽头全波整流器有一些缺点，例如 -

• 中心攻丝定位困难
• 直流输出电压小
• 二极管的 PIV 应较高

下一种全波整流电路是桥式全波整流电路。

桥式全波整流器

这就是这样一种全波整流电路，它利用四个二极管桥式连接，不仅可以在输入的全周期内产生输出，而且可以消除中心抽头全波整流电路的缺点。

该电路中的变压器不需要任何中心抽头。称为 $D_1$、$D_2$、$D_3$ 和 $D_4$ 的四个二极管用于构建桥式网络，以便其中两个二极管在输入电源的一个半周期导通，两个二极管在输入电源的另一半周期导通。桥式全波整流电路如下图所示。

桥式全波整流器的工作原理

采用四个二极管桥式连接的全波整流器，以获得更好的全波输出响应。当给定输入电源的正半周期时，点 P 相对于点Q变为正值。这使得二极管 $D_1$ 和 $D_3$ 正向偏置，而 $D_2$ 和 $D_4$ 反向偏置。这两个二极管现在将与负载电阻串联。

下图表明了这一点以及电路中的传统电流。

因此，二极管 $D_1$ 和 $D_3$ 在输入电源的正半周期内导通，以沿着负载电阻产生输出。由于两个二极管工作以产生输出，因此电压将是中心抽头全波整流器输出电压的两倍。

当给定输入电源的负半周期时，点 P 相对于点Q变为负值。这使得二极管 $D_1$ 和 $D_3$ 反向偏置，而 $D_2$ 和 $D_4$ 正向偏置。这两个二极管现在将与负载电阻串联。

下图表明了这一点以及电路中的传统电流。

因此，二极管 $D_{2}$ 和 $D_{4}$ 在输入电源的负半周期期间导通，以沿着负载电阻产生输出。这里还有两个二极管用于产生输出电压。电流的流动方向与输入的正半周期期间的方向相同。

电桥FWR波形

中心抽头全波整流器的输入和输出波形如下。

从上图可以看出，正半周和负半周都获得了输出。还可以观察到，负载电阻两端的输出在两个半周期内都处于相同方向。

峰值反向电压

每当两个二极管与变压器的次级并联时，变压器两端的最大次级电压就会出现在不导通的二极管上，从而形成整流器电路的 PIV。因此，峰值反向电压是次级绕组上的最大电压，即

$$PIV=V_m$$

优点

桥式全波整流器有很多优点，例如 -

• 无需中心攻丝。
• 直流输出电压是中心抽头 FWR 的两倍。
• 二极管的 PIV 是中心抽头 FWR 的一半。
• 电路设计更简单，输出更好。

现在我们来分析一下全波整流器的特性。

全波整流器分析

为了分析全波整流电路，我们假设输入电压 $V_{i}$ 为：

$$V_{i}=V_m \sin \omega t$$

通过负载电阻 $R_L$ 的电流 $i_1$ 由下式给出

$$i_1=I_m \sin \omega t \quad for \quad0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_1=\quad0 \quad\quad\quad 对于 \quad \pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

在哪里

$$I_m=\frac{V_m}{R_f+R_L}$$

$R_f$ 是导通状态下的二极管电阻。

类似地，流过二极管 $D_2$ 和负载电阻 RL 的电流 $i_2$ 由下式给出：

$$i_2=\quad\:0 \quad\quad\quad 对于 \quad 0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_2=I_m \sin \omega t \quad 为 \quad\pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

流过$R_L$的总电流是两个电流$i_1$和$i_2$之和，即

$$i=i_1+i_2$$

直流或平均电流

直流电流表指示的输出电流平均值由下式给出

$$I_{dc}=\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} i_1 \:d\left ( \omega t \right )+\frac{1}{2\ pi}\int_{0}^{2\pi}i_2 \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2\pi\int_{0}^{\pi}}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+0+0+$$

$$\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi}I_m \sin \omega t\:d\left ( \omega t \right ) $$

$$=\frac{I_m}{\pi}+ \frac{I_m}{\pi} =\frac{2I_m}{\pi}=0.636I_m$$

这是半波整流器值的两倍。

直流输出电压

负载上的直流输出电压由下式给出

$$V_{dc}=I_{dc}\times R_L = \frac{2I_mR_L}{\pi}=0.636I_mR_L$$

因此，直流输出电压是半波整流器的两倍。

有效值电流

电流的 RMS 值由下式给出

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi} t^2 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\压裂{1}{2}}$$

由于电流在两半中具有两种相同的形式

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{\pi} \int_{0}^{\pi }\sin^2 \omega t\:d\left ( \omega t \right )\右]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\frac{I_m}{\sqrt{2}}$$

整流器效率

整流器效率定义为

$$\eta=\frac{P_{dc}}{P_{ac}}$$

现在，

$$P_{dc}=\left (V_{dc} \right )^2/R_L=\left ( 2V_m/\pi \right )^2$$

和，

$$P_{ac}=\left (V_{rms} \right )^2/R_L=\left (V_m/\sqrt{2} \right )^2$$

所以，

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (2V_m/\pi \right )^2}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right ) ^2}=\frac{8}{\pi^2}$$

$$=0.812=81.2\%$$

整流器效率可计算如下 -

直流输出功率，

$$P_{dc}=I_{dc}^{2}R_L=\frac{4I_{m}^{2}}{\pi^2}\times R_L$$

交流输入功率，

$$P_{ac}=I_{rms}^{2}\left (R_f+R_L \right )=\frac{I_{m}^{2}}{2}\left (R_f+R_L \right )$ $

所以，

$$\eta=\frac{4I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/2}=\frac{8} {\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{0.812}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

因此，百分比效率为

$$=\frac{0.812}{ 1+\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=81.2\% \quad 如果\: R_f=0$$

因此，全波整流器的效率是半波整流器的两倍。

纹波系数

全波整流器的整流输出电压的形状因数由下式给出

$$F=\frac{I_{rms}}{I_{dc}}=\frac{I_m/\sqrt{2}}{2I_m/\pi}=1.11$$

纹波系数 $\gamma$ 定义为（使用交流电路理论）

$$\gamma =\left [ \left ( \frac{I_{rms}}{I_{dc}} \right )-1 \right ]^{\frac{1}{2}}=\left ( F^ 2 -1\右 )^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \left ( 1.11 \right )^2 -1\right ]^\frac{1}{2}=0.48$$

与半波整流器的纹波系数 1.21 相比，这是一个很大的改进

规定

直流输出电压由下式给出

$$V_{dc}=\frac{2I_mR_L}{\pi}=\frac{2V_mR_L}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2V_m}{\pi}\left [ 1-\frac{R_f}{R_f+R_L} \right ]=\frac{2V_m}{\pi}-I_{dc}R_f$$

变压器利用率

半波整流器的TUF为0.287

中心抽头整流器有两个次级绕组，因此中心抽头全波整流器的 TUF 为

$$\left ( TUF \right )_{avg}=\frac{P_{dc}}{变压器的 VA 评级}$$

$$=\frac{\left (TUF \right )_p+\left (TUF \right )_s+\left (TUF \right )_s}{3}$$

$$=\frac{0.812+0.287+0.287}{3}=0.693$$

半波与全波整流器

在了解了全波整流器的所有不同参数值之后，让我们尝试比较和对比半波整流器和全波整流器的特性。