电气人必须分清的半波、半桥、全桥

在我国,单相入户电压是220V、50Hz的交流电,但大多数的电子产品都是采用直流供电方式,如电脑、手机等。这意味着,我们要将交流电变换成直流电,而这个变换的过程就被称为整流。目前整流电路所采用的器件基本都是整流桥,如下图所示。
整流电路的核心部分是二极管,例如上图所示的整流桥就由4个二极管组成。那么,二极管又是如何实现电路的整流的呢?整流电路的半波、半桥、全桥的含义分别是什么?
二极管之所以能实现整流,是因为其具有单向导电的特性。类似单向阀,当给二极管的两个管脚施加正向电压时,即阳极接电压“+”极,阴极接电压“-”极,它就像导线一样直接导通(其管压降不超过0.7V,一般忽略不计)。若给二极管施加反向电压,即阳极接电压“-”极,阴极接电压“+”极,它就如同开关断开一样截止电路。
知道了二极管的工作原理后,我们接着来看它是如何整流的。

一、半波整流电路

首先是最简单的半波整流电路,只需一个二极管即可,如下图所示。电路图左边为变压器线圈,作为交流输入端,右边为负载电阻,其中二极管D串接在输入与输出之间。
输入交流电压u的波形为正弦波,有正半波和负半波之分,以上图为例,正半波表示输入电压方向为上正下负,负半波表示输入电压方向为上负下正。
显然,当输入电压u为上正下负时,二极管的阳极接“+”,正向导通,此时二极管相当于导线,而负载电阻的电压uR 直接等于输入电压。换言之,当输入电压处于正半波时,输出电压直接等于输入电压,两者波形相同。
当输入电压为上负下正时,二极管阳极接“-”,反向截止,此时电路直接断开,负载电阻电流为零,所以其电压也为零。也就是说,当输入电压处于负半波时,输出电压为零,输出波形直接与横轴重合。
结合正半波和负半波,可以看到,只有一个二极管的整流电路中,输出电压的波形只有一半,所以称之为半波整流。

二、半桥整流电路

半桥整流电路如下图所示,和半波整流相比,半桥整流多了一个二极管。两个二极管D1、D2的阳极分别接到变压器绕组的首尾端,而阴极接在一起。负载电阻的一端接二极管,另一端接编曲与绕组的中间抽头。
当输入电压为上正下负时,二极管D1的阳极接“+”,正向导通;同时,二极管D2的阳极接“-”,反向截止。从电路图中可以看到,负载电阻的电压只有输入电压的一半,因为变压器绕组只有一半构成回路。
同理,当输入电压为上负下正时,二极管D1的阳极接“-”,反向截止;同时,二极管D2的阳极接“+”,正向导通。对比两个二极管轮流导通的电路图,可以看到,负载电阻的电压方向和电流方向保持不变。这意味着,输出电压波形一直是正值,如下图所示。
对比半波整流和半桥整流,一个失去半个波形,一个失去一半电压,显然两个电路的输出效率都不怎样,想要得到更好的输出,就得用到全桥整流电路。

三、全桥整流电路

全桥整流电路已被广泛应用于各种电子电路中,其整流部分由四个二极管组成,如下图所示。相对于半桥整流电路,全桥整流电路多了一半“桥”。上面一组(半桥)二极管D1、D2依然是阳极分别接变压器绕组首尾端,阴极接一起;下面一组(半桥)二极管D3、D4阴极分别接变压器绕组首尾端,而阳极接一起。
当输入电压为上正下负时:上面一组二极管中,二极管D1阳极接“+”,正向导通,二极管D2阳极接“-”,反向截止;下面一组二极管中,二极管D4阴极接“+”,反向截止,二极管D3阴极接“-”,正向导通。
简而言之,就是当输入电压为上正下负时,二极管D1、D3导通,D2、D4截止,负载电阻电压为上正下负,在忽略管压降的情况下,输出电压大小等于输入电压。
当输入电压为上负下正时:上面一组二极管中,二极管D1阳极接“-”,反向截止,二极管D2阳极接“+”,正向导通;下面一组二极管中,二极管D4阴极接“-”,正向导通,二极管D3阴极接“+”,反向截止。
也就是说,当输入电压为上负下正时,二极管D2、D4导通,D1、D3截止,负载电阻电压依然为上正下负,在忽略管压降的情况下,输出电压大小仍然等于输入电压。
显然,在全桥整流电路中,不管输入电压是正是负,输出电压都为正,且大小都等于输入电压,如下图所示。
综上,整流电路的半波、半桥、全桥为层层递进关系,电路逐步得到完善。在整流电路的输出端并联一个滤波电容,就能使输出电压波形得到完善,变成近似直流电压。

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