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桥式整流器工作原理_主要类型_应用电路图

IC先生 IC先生 5269 2022-08-16 15:36:48

用于将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC) 的电气设备称为整流器,整流器主要分为半波整流器(HWR)和全波整流器(FWR),其中全波整流器可以分为中心抽头全波整流器和桥式全波整流器。

其中,桥式整流电路是电子电源的常见部分,许多电子电路需要整流直流电源,以便从可用的交流电源为各种电子基本组件供电。在日常生活中,可以在各种电子交流电源设备中找到这种整流器,例如电机控制器,调制过程,焊接应用等。在本文中,小编简单介绍下桥式整流器的工作原理。

基本概念

桥式整流器是一种交流 (AC) 到直流 (DC) 转换器,可将主交流输入整流为直流输出。桥式整流器广泛用于为电子元件或设备提供必要直流电压的电源中。它们可以由四个或更多二极管或任何其他受控固态开关构成。

桥式整流器

根据负载电流要求,应该选择合适的桥式整流器。在为适当的电子电路应用选择整流器电源时,会考虑组件的额定值和规格、击穿电压、温度范围、瞬态电流额定值、正向电流额定值、安装要求和其它应考虑的因素。

基本构造

桥式整流器结构如下图所示。该电路可以设计有四个二极管,即D1、D2、D3和D4,以及一个负载电阻器 (RL)。这些二极管的连接可以以闭环模式完成,以有效地将AC转换为DC。这种设计的主要好处是没有专用的中心抽头变压器,所以尺寸和成本都比较低。

基本构造

 

一旦输入信号施加在两个端子(如A和B)上,就可以在RL上获得o/p DC信号。这里负载电阻连接在C和D两个端子之间。两个二极管的排列方式可以使电流在每半个周期内由两个二极管传导。像D1和D3这样的二极管对将在整个正半周期内传导电流。同样,D2和D4二极管将在整个负半周期内传导电流。

桥式整流电路图

桥式整流器的主要优点是它产生的输出电压几乎是使用中心抽头变压器的全波整流器的两倍。但该电路不需要中心抽头变压器,因此它类似于低成本整流器。其电路图由变压器、二极管桥、滤波和稳压器等设备的各个阶段组成。通常情况下,所有这些块组合称为稳压直流电源,为各种电子设备供电。

电路的第一级是一个降压型变压器,可以改变输入电压的幅度。大多数电子项目使用230/12V变压器将交流电源230V降压至12V交流电源。

第二级是二极管桥式整流器,根据桥式整流器的类型使用四个或更多二极管。为相应的整流器选择特定的二极管或任何其他开关设备需要考虑一些设备,如峰值反向电压 (PIV)、正向电流If、额定电压等。它负责通过传导在负载处产生单向或直流电流一组二极管用于输入信号的每半个周期。

由于二极管桥式整流器后的输出具有脉动性质,并且为了将其产生为纯直流,因此必须进行滤波。滤波通常是在负载两端连接一个或多个电容器来执行的,如下图所示,其中执行了波的平滑处理。该电容额定值还取决于输出电压。

桥式整流电路图

此外,该稳压直流电源的最后一级是稳压器,可将输出电压保持在恒定水平。假设微控制器工作在5V DC,但经过桥式整流后的输出约为16V,因此要降低此电压并保持恒定电平(无论输入侧的电压如何变化),这都需要稳压器。

工作原理

如上所述,单相桥式整流器由四个二极管组成,这种配置跨接负载。为了理解桥式整流器的工作原理,必须考虑下面的电路进行说明。

在输入交流波形二极管的正半周期期间,D1和 D2正向偏置,D3和D4反向偏置。当电压超过二极管D1和D2的阈值电平时,开始导通 — 负载电流开始流过它,如下图红线的路径所示:

正半周电路图

在输入交流波形的负半周期间,二极管D3和D4正向偏置,D1和D2反向偏置。如下图所示,当这些二极管开始导通时,负载电流开始流过D3和D4二极管。

负半周电路图

 

从上面可以观察到,在这两种情况下,负载电流的方向是相同的,即如图所示从上到下——所以是单向的,也就是直流电流。因此,通过使用桥式整流器,将输入的交流电流转换为直流电流。这种桥式波整流器的负载输出本质上是脉动的,但产生纯直流需要一个额外的滤波器,如电容器。相同的操作适用于不同的桥式整流器,但在受控整流器的情况下,晶闸管触发是驱动电流到负载的必要条件。

主要类型

桥式整流器根据不同因素分为几种类型:电源类型、控制能力、桥式电路配置等。桥式整流器主要分为单相和三相整流器。这两种类型进一步分为非控制型、半控制型和全控制型整流器。下面介绍其中一些类型的整流器。

1、单相和三相整流器

电源的性质,即单相或三相电源决定了这些整流器。单相桥式整流器由四个二极管组成,用于将交流转换为直流,而三相整流器使用六个二极管,如下图所示。根据二极管、晶闸管等电路元件的不同,这些整流器也可以是不受控或受控的整流器。

单相和三相整流器

2、不受控制的桥式整流器

该桥式整流器使用二极管对输入进行整流。由于二极管是一种单向器件,仅允许电流沿一个方向流动。使用整流器中的这种二极管配置,它不允许功率根据负载要求而变化。所以这种类型的整流器用于恒定或固定电源,如下图所示:

不受控制的桥式整流器

3、可控桥式整流器

在这种类型的整流器中,AC/DC转换器或者整流器——代替不受控制的二极管,使用可控固态器件(如SCRMOSFETIGBT等)来改变不同电压下的输出功率。通过在不同的时刻触发这些设备,负载的输出功率得到适当的改变,如下图所示:

可控桥式整流器

主要特性

桥式整流器的特点包括以下内容:

  • 纹波系数
  • 峰值反向电压 (PIV)
  • 效率

纹波系数

使用因子测量输出直流信号的平滑度称为纹波因子。这里平滑的DC信号可以被认为是包含很少纹波的o/p DC信号,而高脉动的DC信号可以被认为是包含高纹波的o/p。在数学上,它可以定义为纹波电压与纯直流电压的分数。对于桥式整流器,纹波因子可以给出为:Γ = √ (Vrms2/VDC)−1。桥式整流器的纹波系数值为0.48。

PIV(峰值反向电压)

峰值反向电压可以定义为当二极管在整个负半周期内以反向偏置条件连接时来自二极管的最高电压值。桥式电路包括四个二极管,如D1、D2、D3和D4。

在正半周期中,两个二极管(如D1和D3)处于导通位置,而D2和D4二极管均处于非导通位置。同样,在负半周期内,D2和D4等二极管处于导通位置,而D1和 D3等二极管处于非导通位置。

效率

整流器的效率主要决定整流器将AC(交流电)变为DC(直流电)的能力。整流器的效率可以定义为DC o/p功率和AC i/p功率的比值。桥式整流器的最大效率为 81.2%,即:η = DC o/p功率 / AC i/p功率。

波形图

从桥式整流器电路图中可以得出结论,负载电阻上的电流在整个正半周期和负半周期内是相等的。o/p DC信号的极性可以是完全正的,也可以是负的。在这种情况下,它是完全积极的。当二极管的方向反转时,可以获得完整的负直流电压。

因此,桥式整流器允许电流在 i/p AC信号的正周期和负周期中流动。桥式整流器的输出波形如下图所示:

桥式整流器波形图

主要应用

  • 由于与中心抽头相比成本低,它们被广泛用于电源电路。
  • 这可用于检测调制无线电信号的幅度。
  • 桥式整流器可用于在焊接中提供极化电压。
  • 可以将交流电转换为直流电
  • 稳压直流电源

优缺点

桥式整流器的优点包括以下几点内容:

  • 全波整流器的整流效率是半波整流器的两倍。
  • 在全波整流器的情况下,更高的输出电压、更高的输出功率和更高的变压器利用率。
  • 纹波电压低,频率高,全波整流需要简单的滤波电路。
  •  变压器次级不需要中心抽头,因此在桥式整流器的情况下,所需的变压器更简单。如果不需要升压或降压,甚至可以省去变压器。
  • 对于给定的功率输出,在桥式整流器的情况下可以使用较小尺寸的电源变压器,因为电源变压器的初级和次级绕组中的电流都流过整个交流周期。
  • 使用简单的滤波电路实现高频和低纹波电压。
  • 与中心抽头整流器相比,桥式全波整流器效率更高。
  • 不需要中心抽头变压器。

桥式整流器的缺点包括以下几点内容:

  • 使用两个额外的二极管会导致额外的电压降,从而降低输出电压。
  • 需要四个二极管,因此整流器的成本会很高。
  • 一旦需要对小电压进行整流,该电路就不合适了,因为两个二极管可以串联连接,并且由于它们的内部电阻而提供双倍压降。
  • 这些电路设计起来非常复杂。
  • 与中心抽头式整流器相比,桥式整流器的功率损耗更大。

总结

与其他整流器相比,桥式整流器是最有效的整流电路类型。这是一种全波整流器,顾名思义,这种整流器使用了四个以桥接形式连接的二极管。所以这种整流器被命名为桥式整流器。

需要注意的是,在桥式整流器中,使用四个二极管来设计电路,无需使用中心抽头变压器即可实现全波整流。该整流器主要用于在大多数应用中提供全波整流,而四个二极管的布置可以在闭环布置中完成,以有效地将交流电变为直流电。这种安排的主要好处是不存在中心抽头变压器,因此尺寸和成本将降低。

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