这样讲桥式全波整流器,是不是比较容易理解

原创 加油射频工程师 2022-05-10 12:30

此文是razavi fundamentals of microelectronics的阅读笔记

读razavi的书籍,会有这样的感觉。那就是,电路不是无缘无故来的,是因为要解决实际问题,然后出现了电路的原始架构,但是呢,性能还是不太理想,然后就慢慢改进,最后得到的。


先举个二极管的应用例子。比如说手机充电器,需要把交流转化为直流。

那怎么做呢?简单的讲,是通过两个步骤:

(1) 通过变压器,将交流电压220V降低到接近5V的交流电压,比如说5.5V;

(2) 再将5.5V的交流电压转换成5V的直流电压。

但是通过变压器转换成的5.5V交流电,正半轴和负半轴相等,平均值为0V,没有直流。没法用啊。所以呢,需要想办法把平均值提上来。


那怎么个操作呢?

假设我们有办法,只通过交流电的正半轴,但是不让交流电的负半轴通过,那不就平均值不为0了么?然后再通过低通滤波器,直流就产生了。


那怎样才能得到上面的结果呢?哪种元器件可以得到这种效果呢,电阻显然不行。我们需要一种元器件,在正半轴的时候接通,在负半轴的时候断开。

一个理想的二极管正好能完成这样的操作。

假设

那么,当VD>0时,其正偏,接通;VD<0时,其反偏,断开。

但是,这样说,还不太直观啊。

可以考虑用图形来表示二极管的I/V特性,这样就更方便理解啦。

既然,理想二极管分别表现出短路和断路的特性,即:

也就是说,VD<0时,R=∞;VD>0时,R=0时。即如下图所示。


那再回到开头的例子,怎样才能实现只有正半轴的波形转换呢?

理所当然,先在电路上串个二极管,如下图所示。

但是,理想很丰满,现实很骨感。因为二极管的阴极开路,所以输出电流始终为0,二极管处于不确定的状态,也就是也许导通,也许关断。

所以,就要对电路做个调整,加个电阻到地。

上面这个电路,就是“半波整流器”。但是呢?目前这个电路产生的输出并没有什么用处,因为它是随时间变化,所以无法给电子产品供电。

电子产品需要的是恒定的输出电压。


那怎么办呢?

假设我们把上面的电阻,换成电容,那会咋样?看下图就知道啦。


另外,可以看到,当t=t3时,Vin=-Vp, Vout=Vp-VD,on 

所以二极管D1上承受着2Vp-VD,on的反偏电压。因此,对整流器上的二极管进行选型时,需要考虑到二极管能承受的反向电压。


但是但是,这和实际电路还是有差别,因为在实际应用中,肯定需要能向负载提供电流的。

一旦负载加上去,电容就有地方去释放电荷了,所以电路的响应也会有变化。

所以,分析时,有必要把RL也带上,如下图所示。

现在,C1在几乎整个周期内都会放电,所以,如果需要输出的负载电流很大的话,那VR(纹波)就会很大。那怎么办呢?可以怎样来改善呢?

半波整流器,是通过交流的正半轴,阻止交流的负半轴。但如果有这样一个电路,可以通过正半轴,并且可以把负半轴变正,即全波整流器。那么纹波其实就可以减半。

但怎样实现这种电路呢?可以看看下图。

因为电容只在半个周期内释放电荷,所以纹波大小变为约原来的一半。而且,二极管上承载的最大电压约为Vp.


参考文献:razavi Fundamentals of Microelectronics


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