大佬經(jīng)驗(yàn)總結(jié)！半波整流電路原理詳解+參數(shù)與計(jì)算公式

什么是半波整流電路？

半波整流電路的基本操作非常簡(jiǎn)單，輸入信號(hào)通過二極管，由于只能通過一個(gè)方向的電流，二極管的整流作用，單個(gè)二極管只允許通過一半的波形。

下圖說明了半波整流電路的基本原理。

半波整流電路工作圖

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)交流波形通過半波整流電路時(shí)，只剩下一半的交流波形。半波整流電路僅允許交流電壓的一個(gè)半周期（正半周期或負(fù)半周期）通過，并將阻止直流側(cè)的另一個(gè)半周期。只需要一個(gè)二極管就可以構(gòu)成一個(gè)半波整流電路。本質(zhì)上，這就是半波整流電路所做的一切。

半波整流電路原理

一個(gè)完整的半波整流電路由3個(gè)部分組成：變壓器、阻性負(fù)載、二極管。

半波整流電路

半波整流電路原理：

如何將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓？

先將高交流電壓施加到降壓變壓器的初級(jí)側(cè)，在次級(jí)繞組處獲得將施加到二極管的低電壓。

半波整流電路接線圖

在交流電壓的正半周期間，二極管將正向偏置，電流流過二極管。在交流在交流電壓的負(fù)半周期間，二極管將反向偏置，電流將被阻斷。次級(jí)側(cè) (DC) 的最終輸出電壓波形，如上圖 所示。

之后專注于電路的次級(jí)側(cè)，如果用源電壓代替次級(jí)變壓器線圈，可以將半波整流器的電路圖簡(jiǎn)化為下圖。

半波整流電路原理

現(xiàn)在沒有電路的變壓器分散我們的注意力。對(duì)于交流電源電壓的正半周期，等效電路有效地變?yōu)橄聢D：

等效電路圖

因?yàn)槎O管是正向偏置的，因此允許電流通過。所以我們有一個(gè)閉合電路。

但對(duì)于交流電源電壓的負(fù)半周，等效電路變?yōu)椋?/span>

等效電路圖

整流二極管現(xiàn)在處于反向偏置模式，所以沒有電流能夠通過它。因此，現(xiàn)在有一個(gè)開路。由于這段時(shí)間內(nèi)電流不能流過負(fù)載，輸出電壓為零。這會(huì)發(fā)生得非?？臁?yàn)榻涣鞑ㄐ蚊棵霑?huì)在正負(fù)之間多次振蕩（取決于頻率）。這是半波整流電路波形在輸入側(cè) (Vin ) 的樣子，以及在整流后（即從 AC 到 DC 的轉(zhuǎn)換）在輸出側(cè) (Vout) 的樣子：

半波整流電路波形圖

正半波整流前后的電壓波形如下圖所示。

半波整流電路電壓波形圖

相反，負(fù)半波整流器將只允許負(fù)半波通過二極管，并將阻止正半波。正半波整流器和負(fù)半波整流器之間的唯一區(qū)別是二極管的方向。如在上圖中看到的，二極管現(xiàn)在處于相反的方向。因此，二極管現(xiàn)在將僅在交流波形處于其負(fù)半周期時(shí)才正向偏置。

半波整流電路參數(shù)與計(jì)算公式

半波整流電路的紋波系數(shù)

“紋波”是將交流電壓波形轉(zhuǎn)換為直流波形時(shí)剩余的不需要的交流分量。盡管我們盡最大努力去除所有交流分量，但在輸出側(cè)仍有少量殘留物會(huì)產(chǎn)生直流波形的脈動(dòng)。這種不受歡迎的交流分量稱為“紋波”。

為了量化半波整流器將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的能力，我們使用所謂的紋波系數(shù)（由 γ 或 r 表示）。紋波系數(shù)是整流器交流電壓（輸入側(cè)）與直流電壓（輸出側(cè)）的RMS值之比。

二極管的紋波系數(shù)的公式為：

整流二極管的波紋系數(shù)公式

也可以重新排列為下面的等式：

整流二極管的波紋系數(shù)公式

半波整流器的紋波系數(shù)等于1.21（即γ=1.21）。

請(qǐng)注意，為了構(gòu)建一個(gè)好的整流器，我們一般希望將紋波系數(shù)保持在盡可能低的水平。這就是為什么我們使用電容和電感作為濾波器來減少電路中的紋波。

半波整流電路的效率

整流器效率 (η) 是輸出直流功率與輸入交流功率之比。效率的公式等于：

半波整流電路的效率

半波整流器的效率等于 40.6%（即 η max = 40.6%）

半波整流電路的有效值

為了得出半波整流器的 RMS 值，我們需要計(jì)算負(fù)載上的電流。如果瞬時(shí)負(fù)載電流等于 i L = Imsinωt，則負(fù)載電流的平均值 (IDC ) 等于：

半波整流電路的負(fù)載電路的有效值

其中Im等于負(fù)載上的峰值瞬時(shí)電流 (Imax )。因此，負(fù)載上獲得的輸出直流電流 (IDC ) ：

輸出直流電流 公式

對(duì)于半波整流器，RMS 負(fù)載電流 (Irms ) 等于平均電流 (IDC ) 乘以 π/2。因此，半波整流器的負(fù)載電流 (Irms ) 的 RMS 值為：

負(fù)載電流 (Irms ) 的 RMS公式

其中 Im = Imax等于負(fù)載上的峰值瞬時(shí)電流。

半波整流電路的峰值反向電壓

峰值反向電壓 (PIV) 是二極管在反向偏置條件下可以承受的最大電壓。如果施加的電壓超過 PIV，二極管將被破壞。

半波整流整流電路的形狀因素

形狀因數(shù)（FF）是有效值與平均值的比值，如下式所示：

半波整流電路的形狀因數(shù)（FF）

半波整流器的形狀因子等于 1.57（即 FF=1.57）。

半波整流電路的輸出電壓

負(fù)載電阻上的輸出電壓 (VDC )表示為：

半波整流電路輸出電壓計(jì)算公式

半波整流電路應(yīng)用

雖然半波二極管整流電路基本上使用單個(gè)二極管，但二極管周圍有一些電路差異，具體取決于應(yīng)用。

電源整流

當(dāng)用于電源整流時(shí)，半波整流電路如果要以任何方式為設(shè)備供電，則與變壓器一起使用。通常在此應(yīng)用中，輸入交流波形是通過變壓器提供的。這用于提供所需的輸入電壓。

AM解調(diào)

一個(gè)簡(jiǎn)單的半波二極管整流器可用于調(diào)幅信號(hào)的信號(hào)解調(diào)。整流過程使幅度調(diào)制得以恢復(fù)。當(dāng)半波整流電路用于幅度調(diào)制檢測(cè)時(shí)，該電路顯然需要與收音機(jī)中的其他電路接口。

峰值檢測(cè)

半波二極管電路通常用作簡(jiǎn)單的電壓峰值檢測(cè)器。通過在輸出負(fù)載上放置一個(gè)電容，電容器將充電至峰值電壓。如果 CR 網(wǎng)絡(luò)、電容器和負(fù)載電阻的時(shí)間常數(shù)比波形周期長(zhǎng)得多或足以捕獲變化波形的峰值，則電路將保持電壓峰值。