全桥整流器简介

全波桥式整流器将交流输入电压转换为直流电源电压。了解此重要电路的操作。

当科学家和工程师第一次制定分配电力的计划时，他们没有切实可行的系统来增加或降低直流输电电压。相比之下，交流传输电压很容易通过变压器升高或降低。因此，交流电成为世界范围内的电力传输标准。

交流电压完全适合灯泡和电机，这两种类型的负载在电力早期是主要关注的问题。我怀疑，乔治·威斯汀豪斯，也许是历史上最有影响力的交流配电支持者，永远无法想象交流电压会给数字电子时代的工程师带来多大的不便。

我们仍然需要灯泡和电机，但我们的生活中也充满了需要稳定直流电源电压的设备。同时，尽管引入了高压直流（HVDC）电力系统，但交流输电仍然占主导地位。因此，交流到直流的转换——也称为整流——是电气工程的一项基本任务。

从广义上讲，执行整流的电路是电气工程的基本组件。在本文中，我们将讨论这些组件中最广泛使用的：全波桥式整流器，也称为全桥整流器或简称桥式整流器。为了理解是什么让这个电路如此有用，我们首先需要了解整流——全波和半波——是如何工作的。

二极管半波整流

整流一词源自拉丁语，意思是“整流”。因此，整流电路将电流向两个方向移动，并将其“整流”，使其仅向一个方向移动。二极管的定义特征是，它允许电流在一个方向（阳极到阴极）上相当自由地流动，并强烈反对电流在另一个方向上流动（阴极到阳极），所以听到所有半导体二极管都属于整流器的大类，也许并不奇怪。

整流交流电压只需要一个二极管，如图1所示。请注意，图右侧的电阻器代表负载电路。

LTspice实现了单二极管整流电路。

图1。单二极管整流电路。图片由Robert Keim提供

当整流器电路的输入电压为正时，电流流过二极管，并在负载电阻器上产生电压。当输入电压为负，需要电流沿相反方向流动时，二极管的功能就像开路——因为没有电流流过电阻器，所以不会产生电压，并且电阻器的两个端子都处于0V接地电位。结果是图2中的橙色直流波形。

LTspice图显示AC输入波形的半波整流。

图2:单个二极管将绿色交流波形转换为橙色直流波形。图片由Robert Keim提供

将整流波形描述为“DC”似乎相当慷慨，确实我们永远不想将其用作电子电路的DC电源电压。然而，严格地说，它确实是一个直流波形。尽管电压波动剧烈，但其极性永远不会改变，这意味着波形产生的电流将始终朝着同一方向移动。

尽管简单且至少在一定程度上有效，但单二极管方法有一个明显的缺点——源波形的正半部分被保留，但负半部分被丢弃。这被称为半波整流，它会在输出波形中产生大的间隙。如果我们能找到一种方法来整流输入信号而不浪费一半，那会更好，而这正是全波整流器所做的。

四个二极管的全波整流

虽然使用两个二极管和一个中心抽头变压器可以实现全波整流，但这种整流器往往比全桥整流器体积更大、成本更高。应用程序的功率越高，包括变压器就越大、越昂贵。

全桥整流器不需要两个二极管和一个变压器，而是需要四个二极管，以使正输入电压和负输入电压都能沿相同方向驱动电流通过负载。图3显示了采用经典菱形配置的全桥整流器的四个二极管。

全波桥式整流器，四个二极管呈菱形配置。

图3。菱形配置是全波桥式整流器的经典代表。图片由Tony R.Kuphaldt提供

在该电路中，源极连接到阴极与阳极相遇的节点；输出取自连接两个阳极或两个阴极的节点。正极和负极电源电压都将导致电流从负载电阻器的正极端子流到负极端子。

使用图4中的LTspice实现，让我们更深入地了解四二极管排列是如何实现全波整流的。

LTspice实现了全桥整流器。

图4。全桥整流器的LTspice实现。图片由Robert Keim提供

如示意图所示，输入源的负极端子是模拟器的参考节点，输出电压必须从“整流+”节点到“整流-”节点进行差分测量。

由于输入源和整流输出不共享一个共同的参考电势，如果你关注电压，这个电路的操作可能会有点混乱。关键是要从电流的角度来思考，电流必须来源于电源并返回电源，同时始终向下流经负载电阻器。

只要电流向下流过负载，负载两端的电压——或者换句话说，提供给负载的电压——就会是正的。图5中的绿色箭头显示了电源电压为正时的电流。

全桥整流器电流在输入波的正半周期间流动。

图5。全桥整流器电流在输入波的正半周期间流动。图片由Robert Keim提供

然而，当源极电压为负时，源极符号的下端子的电压高于上端子的电压。因此，电流从下端开始，流向上端，如图6所示。

全桥整流器电流在输入波的负半周期间流动。

图6。全桥整流器电流在输入波的负半周期间流动。图片由Robert Keim提供

结果，如图7的电压图所示，是一个整流波形，它保留了输入波的正半周期，并反转了负半周期。

示出AC输入信号的全波整流的LTspice图。

图7。图4中的全桥整流器将绿色交流波形转换为橙色直流波形。图片由Robert Keim提供

在全桥整流器完成工作后，我们可以通过使用电容器来平滑波动的直流信号，然后使用线性调节器来稳定平滑的信号，从而产生可用的直流电源电压。

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我们现在已经介绍了四个二极管的巧妙互连如何进行交流到直流转换的基本知识。您可以通过阅读All about Circuits网站上提供的带输出滤波的全波桥式整流器项目来了解更多关于全桥整流器的信息，如果您愿意，还可以构建该项目。