整流是通過固態(tài)半導(dǎo)體器件將交流電源連接到連接的直流負(fù)載的過程

整流將振蕩的正弦交流電壓源轉(zhuǎn)換為恒流直流電壓源通過二極管，晶閘管，晶體管或轉(zhuǎn)換器。該整流過程可以采用多種形式，具有半波，全波，不受控制和完全可控的整流器，將單相或三相電源轉(zhuǎn)換為恒定的DC電平。在本教程中，我們將介紹單相整流及其所有形式。

整流器是交流電源轉(zhuǎn)換的基本構(gòu)建模塊之一，半波或全波整流通常由半導(dǎo)體二極管執(zhí)行。二極管允許交流電流在正向流過它們，同時(shí)阻止電流反向流動(dòng)，形成固定的直流電壓電平，使其成為整流的理想選擇。

然而，已經(jīng)二極管整流的直流電流是不像電池電源那樣純凈，但由于交替供電，電壓會(huì)隨著疊加在其上的波紋形式產(chǎn)生電壓變化。

但是對(duì)于單相整流，我們需要一個(gè)固定電壓和頻率的交流正弦波形，如圖所示。

交流正弦波形

AC波形通常有兩個(gè)與之相關(guān)的數(shù)字。第一個(gè)數(shù)字表示波形沿x軸的旋轉(zhuǎn)程度，交流發(fā)電機(jī)從該軸旋轉(zhuǎn)0到360 o 。該值被稱為周期（T），其被定義為完成波形的一個(gè)完整周期所花費(fèi)的間隔。周期以度，時(shí)間或弧度為單位進(jìn)行測(cè)量。正弦波周期與頻率之間的關(guān)系定義為： T = 1 / f 。

第二個(gè)數(shù)字表示沿著該值的電流或電壓值的幅度。 y軸。此數(shù)字給出從零到某個(gè)峰值或最大值（A MAX ，V MAX 或I MAX ）的瞬時(shí)值，表示正弦波最大再次回到零之前的幅度。對(duì)于正弦波形，有兩個(gè)最大值或峰值，一個(gè)用于正半周，一個(gè)用于負(fù)半周。

但除了這兩個(gè)值之外，我們還有兩個(gè)值。用于整改目的。一個(gè)是波形平均值，另一個(gè)是RMS值。通過在一個(gè)半周期內(nèi)加上電壓（或電流）的瞬時(shí)值來獲得波形的平均值，并且發(fā)現(xiàn)為：0.6365 * V P 。請(qǐng)注意，對(duì)稱正弦波的一個(gè)完整周期內(nèi)的平均值為零。

正弦波的均方根或均方有效值（正弦波是正弦波的另一個(gè)名稱）提供相同的值電阻的能量與相同值的直流電源一樣。正弦電壓（或電流）的均方根（rms）值定義為：0.7071 * V P 。

單相整流器

所有單相整流器都使用固態(tài)器件作為主要的AC-DC轉(zhuǎn)換器件。單相不受控制的半波整流器是最簡(jiǎn)單且可能最廣泛使用的用于小功率電平的整流電路，因?yàn)樗鼈兊妮敵鍪艿竭B接負(fù)載電抗的嚴(yán)重影響。

對(duì)于不受控制的整流電路，半導(dǎo)體二極管是最常用的器件，它們被安排用于創(chuàng)建半波或全波整流器電路。使用二極管作為整流器件的優(yōu)點(diǎn)是，通過設(shè)計(jì)，它們是具有內(nèi)置單向pn結(jié)的單向器件。

該pn結(jié)將雙向交流電源轉(zhuǎn)換為單向通過消除一半的電源來實(shí)現(xiàn)單向電流。根據(jù)二極管的連接，它可以例如在正向偏置時(shí)通過AC波形的正半部，而在二極管反向偏置時(shí)消除負(fù)半周。

反之則是通過消除正半波或波形并通過負(fù)半波也是如此。無(wú)論哪種方式，單個(gè)二極管整流器的輸出僅由360 o 波形的一半組成，如圖所示。

半波整流

上面的單相半波整流器配置通過交流電源波形的正半部分，負(fù)半部分被消除。通過反轉(zhuǎn)二極管的方向，我們可以通過負(fù)半部并消除AC波形的正半部分。因此，輸出將是一系列正脈沖或負(fù)脈沖。

因此，在每個(gè)周期的一半時(shí)間內(nèi)，沒有電壓或電流施加到連接的負(fù)載，R L 。換句話說，負(fù)載電阻兩端的電壓R L 僅由半波形組成，無(wú)論是正波形還是負(fù)波形，因?yàn)樗辉谳斎胫芷诘囊话雰?nèi)工作，因此名稱為半波整流器

希望我們可以看到二極管允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)，只產(chǎn)生一個(gè)由半周期組成的輸出。這種脈動(dòng)輸出波形不僅在每個(gè)周期都變化為ON和OFF，而且僅在50％的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，并且在純電阻負(fù)載下，這種高電壓和電流紋波內(nèi)容達(dá)到最大值。

該脈動(dòng)DC意味著在負(fù)載電阻上降低的等效DC值R L 因此僅為正弦波形平均值的一半。由于波形正弦函數(shù)的最大值為1（sin（90 o ）），因此在正弦波的一半上取得的平均或平均DC值定義為：0.637x最大振幅值。 / p>

因此在正半周期期間，A AVE 等于0.637 * A MAX 。然而，由于二極管的整流消除了負(fù)半周期，因此在此期間的平均值將為零。

正弦波平均值

因此對(duì)于半波整流器，50％的時(shí)間平均值為0.637 * A MAX 和50％當(dāng)時(shí)沒有。如果最大振幅為1，則在負(fù)載電阻上看到的平均值或DC值相等，R L 將為：

因此，半波整流器的電壓或電流平均值的相應(yīng)表達(dá)式如下：

V AVE = 0.318 * V <子> MAX

<跨度> I <子> AVE = 0.318 * I MAX

請(qǐng)注意，最大值A(chǔ) MAX 是輸入波形的最大值，但我們也可以使用其RMS或均方根值來查找等效的DC輸出單相半波整流器的值。為了確定半波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9（形狀因子）并將乘積除以2，即乘以0.45得出：

V <子> AVE = 0.45 * V <子> RMS

<跨度> I <子> AVE = 0.45 * I RMS

然后我們可以看到半波整流電路將AC波形的正半部或負(fù)半部轉(zhuǎn)換為脈沖直流輸出，其值為0.318 * A MAX 或0.45 * A RMS ，如圖所示。

半波整流器平均電壓

整流示例No1

單相半波整流器連接到50V RMS 50Hz AC電源。如果整流器用于提供150歐姆的電阻負(fù)載。計(jì)算負(fù)載兩端產(chǎn)生的等效直流電壓，負(fù)載電流和負(fù)載消耗的功率。假設(shè)理想二極管特性。

首先我們需要將50伏RMS轉(zhuǎn)換為峰值或最大電壓等效值。

a）最大電壓幅度，V M

V M = 1.414 * V RMS = 1.414 * 50 = 70.7伏

b）等效直流電壓，V DC

V DC = 0.318 * V M = 0.318 * 70.7 = 22.5伏

c）負(fù)載電流，I L

I L = V DC ÷R L = 22.5 / 150 = 0.15A或150mA

d）負(fù)載功耗，P L

P L = V * I或I 2 *RL=22.5*0.15=3.375W?3.4W

在練習(xí)中，V DC <由于整流二極管上的正向偏壓0.7伏電壓降，因此/ sub>會(huì)略微減少。

單相半波整流器的主要缺點(diǎn)之一是半部分沒有輸出如我們所見，可用的輸入正弦波形導(dǎo)致低平均值。解決此問題的一種方法是使用更多二極管來產(chǎn)生全波整流器。

全波整流

與之前的半波整流器不同，全波整流器利用輸入正弦波形的兩半來提供單向輸出。這是因?yàn)槿ㄕ髌骰旧嫌蛇B接在一起的兩個(gè)半波整流器組成，以便為負(fù)載供電。

單相全波整流器通過使用布置成橋式布置的四個(gè)二極管來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。如前所述，波形的正半部分反轉(zhuǎn)正弦波的負(fù)半部分以產(chǎn)生脈動(dòng)直流輸出。即使整流器的電壓和電流輸出是脈動(dòng)的，它也不會(huì)使用完整的100％輸入波形反向，從而提供全波整流。

單相全波橋式整流器

這種二極管的橋接配置提供全波整流，因?yàn)樗膫€(gè)二極管中的兩個(gè)都是向前的有偏見，而另外兩個(gè)是反向偏見。因此，在傳導(dǎo)路徑中存在兩個(gè)二極管而不是用于半波整流器的單個(gè)二極管。因此，由于兩個(gè)正向電壓降， V IN 和 V OUT 之間的電壓幅度會(huì)有差異串聯(lián)連接的二極管。和以前一樣，為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算，我們假設(shè)理想二極管。

那么單相全波整流器如何工作。在 V IN 的正半周期間，二極管 D 1 和 D 4 正向偏置，而二極管 D 2 且 D 3 反向偏置。然后，對(duì)于輸入波形的正半周期，電流沿著以下路徑流動(dòng)： D 1 - A - R L - B - D 4 并返回電源。

在 V IN 的負(fù)半周期內(nèi)，二極管 D 3 且 D 2 正向偏置，而二極管 D 4 且 D 1 是反向偏置的。然后，對(duì)于輸入波形的負(fù)半周期，電流沿著以下路徑流動(dòng)： D 3 - A - R L - B - D 2 并返回電源。

在這兩種情況下，無(wú)論輸入波形的極性如何，輸入波形的正半周和負(fù)半周都會(huì)產(chǎn)生正輸出峰值。當(dāng)前， i 總是在相同的方向上流過負(fù)載， R L 在點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)之間 A 和<跨度>乙 。因此，源極的負(fù)半周期在負(fù)載時(shí)變?yōu)檎胫芷凇?/p>

因此無(wú)論哪一組二極管導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn) A 總是比節(jié)點(diǎn)乙 。因此，負(fù)載電流和電壓是單向的或DC給出以下輸出波形。

全波整流器輸出波形

雖然此脈動(dòng)輸出波形使用100％的輸入波形，但其平均直流電壓（或電流）不是相同的值。我們從上面記得，超過正弦波一半的平均或平均DC值定義為：0.637x最大振幅值。然而，與上述半波整流不同，全波整流器每個(gè)輸入波形有兩個(gè)正半周，給出了不同的平均值，如圖所示。

全波整流器平均值

在這里我們可以看到，對(duì)于全波整流器，每個(gè)正峰值的平均值為0.637 * A MAX 并且由于每個(gè)輸入波形有兩個(gè)峰值，這意味著有兩個(gè)平均值相加在一起。因此，全波整流器的DC輸出電壓是前一個(gè)半波整流器的兩倍。如果最大振幅為1，則在負(fù)載電阻上看到的平均值或DC值相等，R L 將為：

因此，全波整流器的電壓或電流平均值的相應(yīng)表達(dá)式如下：

V AVE = 0.637 * V <子> MAX

I AVE = 0.637 * I MAX

和以前一樣，最大值A(chǔ) MAX 是輸入波形的，但我們也可以使用其RMS或均方根值來找到單相全波整流器的等效DC輸出值。為了確定全波整流器的平均電壓，我們將RMS值乘以0.9得出：

V AVE = 0.9 * V RMS

我 AVE = 0.9 *我 RMS

然后我們可以看到全波整流電路將交流波形的正半部或負(fù)半部轉(zhuǎn)換為脈沖直流輸出，其值為0.637 * A MAX 或0.9 * A RMS 如圖所示。

全波整流器平均電壓

整流示例No2

四個(gè)二極管用于構(gòu)建單相全波橋式整流器電路，需要在220伏直流電壓下提供1kΩ的純電阻負(fù)載。計(jì)算所需輸入電壓的RMS值，從電源汲取的總負(fù)載電流，每個(gè)二極管通過的負(fù)載電流以及負(fù)載消耗的總功率。假設(shè)理想的二極管特性。

a）整流器電源電壓，V RMS

V DC = 0.9 * V RMS 因此：V RMS = V DC ÷0.9 = 220 / 0.9 = 244.4 V RMS

b）負(fù)載電流，I L

I L = V DC ÷R L = 220/1000 = 0.22A或220mA

c）每個(gè)二極管通過的負(fù)載電流，I D

負(fù)載電流由每個(gè)周期的兩個(gè)二極管提供，因此：

I D = I L ÷2 = 0.22 / 2 = 0.11A或110mA

d）通過負(fù)載消耗功率，P L

P L = V * I或I 2 * R L = 220 * 0.22 = 48.4W

全波半控橋式整流器

全波整流與簡(jiǎn)單的半波整流器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如輸出電壓更加一致，具有更高的平均輸出電壓，輸入頻率由整改過程，需要較小的電容e值平滑電容器，如果需要的話。但我們可以通過在設(shè)計(jì)中使用晶閘管代替二極管來改進(jìn)橋式整流器的設(shè)計(jì)。

通過用晶閘管替換單相橋式整流器中的二極管，我們可以創(chuàng)建一個(gè)相控AC-直流整流器，用于將恒定的交流電源電壓轉(zhuǎn)換為受控的直流輸出電壓。半控制或完全控制的相控整流器在可變電壓電源和電機(jī)控制中有很多應(yīng)用。

單相橋式整流器被稱為“不受控制的整流器”，即施加的輸入電壓直接傳遞到輸出端子，提供固定的平均DC等效值。要將不受控制的橋式整流器轉(zhuǎn)換為單相半控整流器電路，我們只需要用晶閘管（SCR）替換兩個(gè)二極管，如圖所示。

半控橋式整流器

在半控整流器配置中，使用兩個(gè)晶閘管和兩個(gè)二極管控制平均直流負(fù)載電壓。正如我們?cè)陉P(guān)于晶閘管的教程中所學(xué)到的，晶閘管僅在其陽(yáng)極（A）比其陰極（K）更正，并且向其柵極施加觸發(fā)脈沖時(shí)才導(dǎo)通（“導(dǎo)通”狀態(tài)），（G）終奌站。否則它保持不活動(dòng)狀態(tài)。

我們還了解到，一旦“接通”，晶閘管僅在其柵極信號(hào)被移除且陽(yáng)極電流降至保持電流的晶閘管以下時(shí)再次“關(guān)閉”，I H ，因?yàn)榻涣麟娫措妷悍聪蚱盟Ｒ虼耍诮涣麟娫措妷和ㄟ^陽(yáng)極的零電壓交叉后，將施加在晶閘管柵極端子上的觸發(fā)脈沖延遲一段受控的時(shí)間或角度（α）。陰極電壓，我們可以控制晶閘管何時(shí)開始傳導(dǎo)電流，從而控制平均輸出電壓。

半控橋式整流器

在輸入波形的正半周期間，電流沿著路徑： SCR 1 和D 2 ，然后返回供應(yīng)。在 V IN 的負(fù)半周期內(nèi)，傳導(dǎo)通過 SCR 2 和 D 1 并返回電源。

很明顯，頂級(jí)組中的一個(gè)晶閘管（ SCR 1 或 SCR 2 ）及其相應(yīng)的二極管來自底部組（ D 2 或 D 1 ）必須一起導(dǎo)通才能使任何負(fù)載電流流過。

因此平均輸出電壓V AVE 取決于觸發(fā)角包括在半控整流器中的兩個(gè)晶閘管的α，因?yàn)閮蓚€(gè)二極管是不受控制的，并且每當(dāng)正向偏置時(shí)都通過電流。因此，對(duì)于任何柵極觸發(fā)角，α，平均輸出電壓由下式給出：

半控整流器平均輸出電壓

請(qǐng)注意，當(dāng)α= 1 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最大平均輸出電壓，但仍然只有 0.637 * V MAX 與單相非控制橋式整流器相同。

我們可以通過用晶閘管替換所有四個(gè)二極管來進(jìn)一步控制橋的平均輸出電壓。為我們提供全控制橋式整流器電路。

全控制橋式整流器

單相全控橋式整流器更常見于AC-直流轉(zhuǎn)換器。全控制橋式變換器廣泛用于直流電機(jī)的速度控制，通過用所示的晶閘管替換橋式整流器的所有四個(gè)二極管很容易獲得。

全控制橋式整流器

在全控整流器配置中，每半個(gè)周期使用兩個(gè)晶閘管控制平均直流負(fù)載電壓。晶閘管 SCR 1 和 SCR 4 在正半周期內(nèi)成對(duì)激發(fā)，而晶閘管 SCR 3 和 SCR 4 也在負(fù)半周期內(nèi)作為一對(duì)一起被觸發(fā)。在 SCR 1 和 SCR 4 之后，這是180 o 。

然后，在連續(xù)導(dǎo)通工作模式期間，四個(gè)晶閘管不斷地作為交替對(duì)切換，以保持平均或等效的DC輸出電壓。與半控整流器一樣，可以通過改變晶閘管觸發(fā)延遲角（α）來完全控制輸出電壓。

因此，表示平均直流電壓來自單相全控整流器在其連續(xù)導(dǎo)通模式下給出如下：

全控整流器平均輸出電壓

平均輸出電壓從 V MAX /π變?yōu)?-V MAX /π通過分別從π到 0 改變觸發(fā)角α。因此當(dāng)α<90 o 時(shí)，平均直流電壓為正，當(dāng)α> 90 o 時(shí)，平均直流電壓是否定的。這是從直流負(fù)載到交流電源的功率流。

然后我們?cè)诒窘坛讨锌吹絾蜗嗾鳎瑔蜗嗾髌骺刹捎枚喾N形式將交流電壓轉(zhuǎn)換為不受控制的直流電壓使用四個(gè)晶閘管的單二極管半波整流器到全控制全波橋式整流器。

半波整流器的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，成本低，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)二極管。然而，由于只有一半的輸入信號(hào)用于產(chǎn)生低平均輸出電壓，因此效率不高。

全波整流器比半波整流器更有效，因?yàn)樗褂脙蓚€(gè)半波整流器輸入正弦波的周期產(chǎn)生更高的平均或等效DC輸出電壓。全波電橋電路的缺點(diǎn)是需要四個(gè)二極管。

相控整流使用二極管和晶閘管（SCR）的組合將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為受控的DC輸出電壓。完全可控的整流器在其配置中使用四個(gè)晶閘管，而半控整流器使用晶閘管和二極管的組合。

然后無(wú)論我們?cè)趺醋觯瑢⒄医涣鞑ㄐ无D(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)直流電源稱為整流。