什么是半波整流器

　　波整流器是指只允許交流電壓波形的一個半周期通過，阻塞另一個半周期的整流器。半波整流器用于將交流電壓轉換為直流電壓，只需要一個二極管即可構成。

　　整流器是一種將交流電(AC)轉換為直流(DC)的裝置。它是通過使用一個二極管或一組二極管完成的。半波整流器使用一個二極管，而全波整流器使用多個二極管。

　　半波整流器的工作利用了二極管只允許電流流向一個方向的事實。

　　半波整流器的工作原理

　　半波整流器是可用的最簡單的整流器形式。我們將看到一個完整的半波整流電路后-但讓我們首先了解這種類型的整流正在做什么。

　　說明了半波整流器的基本原理。當一個標準的交流波形通過一個半波整流器，只有一半的交流波形保留。半波整流器只允許交流電壓的一個半周期(正半周期或負半周期)通過，并將阻斷直流側的另一個半周期，如下所示。

　　構造半波整流器只需要一個二極管。實質上，這就是半波整流器所做的全部工作。

　　由于直流系統(tǒng)的設計是讓電流流向一個單一的方向(和恒定的電壓-我們將在后面描述) ，通過直流設備使用正負周期的交流波形可能會產生破壞性(和危險)的后果。因此，我們采用半波整流器將交流輸入功率轉換成直流輸出功率。

　　但是二極管只是其中的一部分——一個完整的半波整流電路由三個主要部分組成:

　　變壓器

　　電阻負載

　　二極管

　　我們現在將通過一個半波整流器如何將交流電壓轉換為直流輸出的過程。

　　首先，一個高的交流電壓被施加到降壓變壓器的初級一側，我們將得到一個低電壓在二次繞組將適用于二極管。

　　在正半周期的交流電壓，二極管將正向偏置和電流流過二極管。在負半周期的交流電壓，二極管將反向偏置和電流流動將被阻塞。次級側(DC)的最終輸出電壓波形如上圖3所示。

　　乍一看，這可能會讓人感到困惑——所以讓我們更深入地研究一下這個理論。

　　我們會專注于電路的第二面。如果我們用一個源電壓取代二次變壓器線圈，我們可以簡化半波整流器的電路圖如下:

　　現在我們沒有變壓器部分的電路分散我們的注意力。

　　對于交流電源電壓的正半周期，等效電路有效地成為:

　　這是因為二極管是正向偏置的，因此允許電流通過。所以我們有一個閉合電路。

　　但是對于交流電源電壓的負半周期，等效電路變成:

　　因為二極管現在處于反向偏置模式，所以沒有電流能夠通過它。因此，我們現在有一個開放的電路。由于在此期間電流不能流過負載，所以輸出電壓等于零。

　　這一切都發(fā)生得很快-因為交流電波形將振蕩之間的積極和消極很多次每秒鐘(取決于頻率)。

　　下面是輸入端(Vin)的半波整流器波形，以及整流后輸出端(Vout)的半波整流器波形(即從 AC 到 DC 的轉換) :

　　這是一個半波整流器，只允許正半周期通過二極管，并阻塞負半周期。

　　相反，負半波整流器只允許負半周期通過二極管，并將阻塞正半周期。正半波整流器和負半波整流器的唯一區(qū)別是二極管的方向。

　　正如你在下面的圖5中看到的，二極管現在在相反的方向上。因此，現在只有當交流波形處于負半周期時，二極管才會有正向偏置。

　　半波整流電容濾波器

　　由上述理論得到的輸出波形為脈動直流波形。這是什么是獲得時，使用一個半波整流器沒有過濾器。

　　濾波器是用來將(平滑)脈動直流波形轉換為恒定直流波形的組件。他們通過抑制波形中的直流波紋來達到這個目的。

　　雖然半波整流器無濾波器在理論上是可行的，但它們不能用于任何實際應用。由于直流設備需要一個恒定的波形，我們需要“平滑”這種脈動波形，使其在現實世界中有任何用途。

　　這就是為什么實際上我們使用帶濾波器的半波整流器。電容器或電感可用作濾波器，但最常用的是帶電容濾波器的半波整流器。

　　半波整流器公式

　　現在我們將根據前面的理論和圖形推導出半波整流器的各種計算公式。

　　半波整流器的紋波系數

　　“紋波”是在將交流電壓波形轉換為直流波形時剩余的不需要的交流分量。即使我們盡力去除所有的交流元件，仍然有一些少量的輸出端脈動的直流波形。這種不受歡迎的交流分量被稱為“漣漪”。

　　為了量化半波整流器在多大程度上可以將交流電壓轉換為直流電壓，我們使用紋波因子(表示為 γ 或 r)。紋波因子是指整流器的交流電壓(輸入端)與直流電壓(輸出端)的有效值之比。

　　也可以重新排列為:

　　半波整流器的紋波系數為1.21(γ = 1.21)。

　　注意，對于我們構建一個好的整流器，我們要保持紋波系數盡可能低。這就是為什么我們使用電容器和電感器作為濾波器，以減少電路中的漣漪。

　　半波整流器的效率

　　整流效率(η)是輸出直流功率與輸入交流功率之比。效率的公式等于:

　　半波整流器的效率等于40.6% (η max = 40.6%)

　　半波整流器的有效值

　　為了推導出半波整流器的有效值，需要計算負載電流。如果瞬時負荷電流等于 iL = Imsinωt，則負荷電流(IDC)的平均值等于

　　其中 IM 等于負載的峰值瞬時電流(Imax)。因此，通過負載獲得的輸出直流電流(IDC)是:

　　對于半波整流器，有效值負載電流(Irms)等于平均電流(IDC)乘以 π/2。因此，半波整流器的負載電流(Irms)的有效值是

　　其中 IM = Imax，等于負載的峰值瞬時電流。

　　半波整流器的峰值反電壓

　　峰值反向電壓(PIV)是二極管在反向偏置條件下所能承受的最大電壓。如果施加的電壓大于 PIV，二極管將被破壞。

　　半波整流器的應用

　　雖然半波整流器并不像全波整流器那樣常用，但它們仍有一些用途:

　　半波整流器的優(yōu)點

　　半波整流器的主要優(yōu)點是簡單。因為它們不需要那么多組件，所以安裝和構造它們更簡單、成本更低。

　　因此，半波整流器的主要優(yōu)點是:

　　簡單(組件數量較少)

　　更便宜的前期成本(因為他們的設備較少。雖然隨著時間的推移，由于電力損耗的增加，成本會更高)

　　半波整流器的缺點

　　半波整流器的缺點是:

　　每個正弦波只允許一個半周期通過，而另一個半周期被浪費了，這就導致了能量損失。

　　它們產生低輸出電壓。

　　我們得到的輸出電流不是純直流的，它仍然包含大量的紋波(即它有一個高紋波因子)

　　** 三相半波整流器**

　　上述理論都是針對單相半波整流器的。三相半波整流器雖然原理相同，但特點不同。波形、紋波因子、效率和有效值是不一樣的。

　　三相半波整流器用于將三相交流電源轉換為直流電源。這里的開關是二極管，因此它們是不受控制的開關。也就是說，沒有辦法控制這些開關的開關時間。

　　三相半波整流器一般采用三相電源連接三相變壓器構成，變壓器的二次繞組始終通過星形連接。這是因為中性點需要將負載連接回變壓器次級繞組，為電力流提供回路。

　　提供純電阻負載的三相半波整流器的典型結構如下所示。在這里，變壓器的每個階段被認為是一個單獨的交流電源。電壓的模擬和測量如下面的電路所示。在這里，我們已經連接了一個單獨的電壓表跨越每個電源以及跨越負載。

　　所以我們可以從上圖中看到，當 R 相的電壓值高于其他兩個相的電壓值時，二極管 D1進行傳導，這種情況開始于 R 相在30度時，并在每個完整周期后重復。也就是說，下一次二極管 DI 開始導通是在390度。二極管 D2從 D1接管傳導，D1在150度角停止傳導，因為此時 B 相的電壓值比其他兩相的電壓值高。因此，每個二極管的導電角度為150o-30o = 120o。

　　在這里，由此產生的直流電壓信號的波形不是純粹的直流，因為它不是平坦的，而是它包含一個紋波。紋波頻率為3 × 50 = 150Hz。

　　上述公式表明，電壓紋波是顯著的。這是不可取的，因為這導致不必要的功率損失。

　　雖然三相半波整流器的效率似乎很高，但仍然低于三相全波二極管整流器的效率。雖然三相半波整流器比較便宜，但是相對于高功率損耗所造成的經濟損失來說，這種成本節(jié)約是微不足道的。因此，三相半波整流器在工業(yè)上并不常用。

　　半波整流器如何測量好壞

　　一、使用萬用表測試

　　1. 用萬用表中的電阻檔將半波整流器兩端相連，查看電阻值是否穩(wěn)定，連通是否正常。如果電阻值變化很大或無法測量到電阻，則說明半波整流器可能存在故障。

　　2. 用萬用表中的電壓檔將半波整流器兩端相連，可以測量到正常輸出的電壓值，一般為輸入電壓的一半左右。如果輸出電壓過大或者無法測量到輸出電壓，則說明半波整流器可能存在故障。

　　二、使用示波器測試

　　1. 連接示波器的探頭，將其正極接到半波整流器的輸出端，負極接地，開啟示波器。正常情況下，示波器應該顯示出半波整流器的輸出信號，其幅值保持穩(wěn)定且頻率應該是輸入信號的二倍。

　　2. 可以使用示波器觀察半波整流器的輸出波形，正常的半波整流器輸出應該是一個正半周的脈沖信號，頻率是輸入電壓的二倍。

　　三、注意事項

　　1. 在測試半波整流器之前，應該確保測試工具的正確性和可用性，比如保證萬用表的電量充足，示波器的探頭連接正確等。

　　2. 測試時應該注意安全問題，避免觸電等危險情況的發(fā)生。

　　3. 如果半波整流器存在故障，應該及時進行修理或更換，以免影響正常使用。

　　半波整流器的作用

　　1、將交流發(fā)電機產生的交流電變?yōu)橹绷麟?，以實現向用電設備供電和向蓄電池充電;

　　2、限制蓄電池電流倒流回發(fā)電機，保護發(fā)電機不被逆電流燒壞。

　　在采用交流發(fā)電機的電源系統(tǒng)中，整流器是該系統(tǒng)的重要組成部分。整流器實際上是一個硅二極管或由幾個硅二極管組成，它的外形、結構和符號如圖2-14所示。硅二極管則由一個PN結加上電極引線和外殼所構成，它的兩個電極，正極接P型區(qū)，負極接N型區(qū)。

　　一、整流器的作用整流器用在交流發(fā)電機電源系統(tǒng)中，其作用。

　　一是將交流發(fā)電機產生的交流電變?yōu)橹绷麟?，以實現向用電設備供電和向蓄電池充電;

　　二是限制蓄電池電流倒流回發(fā)電機，保護發(fā)電機不被逆電流燒壞。硅二極管具有單向導電的特性，即在硅二極管兩端加上一定的電壓(電源正極接二極管正極，電源負極接二極管的負極)時，二極管就導通，有電流流過，反之，二極管不導通，無電流通過。

　　這樣，電流只能從一個方向通過。人們利用二極管的這個特性，制成整流器。當給整流器加上交流電壓時，只允許交流電的正半周通過，而負半周不通過，因此在整流器的負端便輸出脈動直流電。

　　二、整流器的種類及結構。

　　單相半波整流器它由磁電機、整流器、用電設備和蓄電池組成。當永久磁鐵旋轉時，產生旋轉磁場，定子繞組切割磁力線后便產生交流電壓，由一個硅二極管完成半波整流，整流后的直流(脈動)電供給用電設備和向蓄電池充電。鈴木A100、AX100、TR125及雅馬哈DX100等型號的摩托車均采用這種電路。這是最簡單的整流電路。

　　半波整流電路的特點

　　半波整流電路具有簡單、低成本和高效率等特點。但是，由于僅能使用正半周信號，因此輸出信號可能會對某些應用產生影響，如造成LED發(fā)出的光線閃爍。

　　電源設計：全波整流器和半波整流器

　　在由電源電壓供電的電子電路中，輸入交流電壓必須轉換為具有足夠穩(wěn)定度的直流電壓。整流交流電壓的最簡單方法是使用常規(guī)半導體二極管，這是一種無源非線性電子元件，其特性是允許電流在一個方向上流動而在另一個方向上流動。圖1顯示了半波整流器電路的原理圖，而圖2顯示了使用中心抽頭變壓器的全波整流器。電阻RL模擬輸出負載的存在，而VM表示變壓器每個次級繞組上的最大電壓。

　　在剛剛顯示的兩種配置中，負載上的峰值電壓大約等于變壓器次級繞組提供的峰值電壓。特別是在半波整流器的情況下，VCCDC輸出電壓由以下公式給出，其中VMAX表示交流輸入電壓的峰值：

　　另一方面，對于全波整流器，VCC電壓由以下公式給出，其中VMAX現在代表兩個變壓器的次級繞組中每個繞組的峰值：

　　降低紋波

　　對于大多數應用，上述電路產生的輸出電壓的紋波過高。相反，對于非常簡單的應用(例如為燈供電或控制小型電動機)，這是可以接受的。通過在整流二極管之后增加一個濾波電容器，輸出電壓波形將顯著改善，從而大幅降低紋波。圖3中的電路使用一個中心抽頭變壓器和兩個整流二極管，而圖4中的電路使用一個常規(guī)變壓器，在常規(guī)電橋配置中，該變壓器只有一個次級繞組和四個整流二極管。兩種原理圖通常用于從交流電源開始獲得直流電壓。

　　輸出波形

　　圖5顯示了在圖1的半波整流器電路中增加一個濾波電容器所產生的效果：正如我們所看到的，輸出電壓更加規(guī)則，并具有平滑的趨勢。在b–c節(jié)中，具有線性趨勢，是由濾波電容器提供充電電流。隨著電流的增加，該部分的斜率變得越來越陡，從而確定了正半波上c點的位置。點c越低，二極管的導通時間就越長(對應于c–d的周期)，因此輸出電壓的紋波也就越大。在與c節(jié)相關的期間–d，電容器已充電。如果連接的負載需要高電流，則電容器將很快放電，從而增加紋波。因此，對于要求高功率電平的電路，基于全波整流器的解決方案是優(yōu)選的。

　　如果負載吸收的電流為零，則直流輸出電壓等于整流交流電壓的峰值。

　　全波整流器中的最大電壓紋波不僅取決于濾波電容器的容量，還取決于紋波頻率和負載電流：

　　其中，ILOAD(A)是負載吸收的直流電流，f(Hz)是紋波頻率，C(farad)是濾波電容器的容量。