每当需要将交流电转换为直流电时，都会使用整流电路进行救援。一个简单的PN结二极管用作整流器。二极管的正向偏置和反向偏置条件进行整流。

整改

交流电具有连续改变其状态的特性。通过观察表示交流电的正弦波可以理解这一点。它在其正方向上上升，达到峰值正值，从那里减小到正常值，然后再次到达负值部分，到达负峰值，然后又回到正常值并继续。

在其形成波的过程中，我们可以观察到波沿正向和负向传播。实际上，它完全改变，因此命名为交流电。

但是在整流过程中，该交流电变为直流电DC。到那时为止，正向和负向流动的波在转换为DC时，其方向将仅限于正向。因此，如下图所示，允许电流仅在正方向上流动，而在负方向上被阻止。

进行整流的电路称为整流电路。二极管用作整流器，以构成整流器电路。

整流电路的类型

整流器电路有两种主要类型，具体取决于它们的输出。他们是

• 半波整流器
• 全波整流器

半波整流器电路仅整流输入电源的正半周，而全波整流器电路则整流输入电源的正半周和负半周。

半波整流器

半波整流器本身的名称指出，整流仅在半个周期内完成。交流信号通过输入变压器提供，输入变压器根据使用情况升或降。通常在整流电路中使用降压变压器，以降低输入电压。

提供给变压器的输入信号通过PN结二极管，该二极管用作整流器。该二极管仅在输入的正半周期内将交流电压转换为脉动直流电。负载电阻器连接在电路的末端。下图显示了半波整流器的电路。

高压水堆的工作

将输入信号提供给变压器，以降低电压水平。变压器的输出被提供给作为整流器的二极管。该二极管在输入信号的正半周导通(导通)。因此，电流在电路中流动，并且负载电阻两端会出现压降。二极管在负半个周期内截止(不导通)，因此负半个周期的输出为$ i_ {D} = 0 $和$ V_ {o} = 0 $。

因此，仅在输入电压的正半个周期内存在输出(忽略反向漏电流)。该输出将是脉动的，通过负载电阻器获得。

HWR的波形

输入和输出波形如下图所示。

因此，半波整流器的输出是脉动直流电。让我们尝试通过了解从半波整流器的输出中获得的几个值来分析上述电路。

半波整流器分析

为了分析半波整流电路，让我们考虑输入电压方程。

$$ v_ {i} = V_ {m} \ sin \ omega t $$

$ V_ {m} $是电源电压的最大值。

让我们假设二极管是理想的。

• 正向的电阻，即导通状态的电阻为$ R_f $。
• 反向的电阻，即在断开状态下的电阻为$ R_r $。

二极管或负载电阻$ R_L $中的电流i为

$ i = I_m \ sin \ omega t \ quad for \ quad 0 \ leq \ omega t \ leq 2 \ pi $

$ i = 0 \ quad \ quad \ quad \ quad for \ quad \ pi \ leq \ omega t \ leq 2 \ pi $

哪里

$$ I_m = \ frac {V_m} {R_f + R_L} $$

直流输出电流

当前的平均$ I_ {dc} $由下式给出

$$ I_ {dc} = \ frac {1} {2 \ pi} \ int_ {0} ^ {2 \ pi} i \：d \ left(\ omega t \ right)$$

$$ = \ frac {1} {2 \ pi} \ left [\ int_ {0} ^ {\ pi} I_m \ sin \ omega t \：d \ left(\ omega t \ right)+ \ int_ {0} ^ {2 \ pi} 0 \：d \ left(\ omega t \ right)\ right] $$

$$ = \ frac {1} {2 \ pi} \ left [I_m \ left \ {-\ cos \ omega t \ right \} _ {0} ^ {\ pi} \ right] $$

$$ = \ frac {1} {2 \ pi} \ left [I_m \ left \ {+ 1- \ left(-1 \ right)\ right \} \ right] = \ frac {I_m} {\ pi} = 0.318欧元

替换$ I_m $的值，我们得到

$$ I_ {dc} = \ frac {V_m} {\ pi \ left(R_f + R_L \ right)} $$

如果$ R_L >> R_f $，则

$$ I_ {dc} = \ frac {V_m} {\ pi R_L} = 0.318 \ frac {V_m} {R_L} $$

直流输出电压

直流输出电压为

$$ V_ {dc} = I_ {dc} \ times R_L = \ frac {I_m} {\ pi} \ times R_L $$

$$ = \ frac {V_m \ times R_L} {\ pi \ left(R_f + R_L \ right)} = \ frac {V_m} {\ pi \ left \ {1+ \ left(R_f / R_L \ right)\ right \}} $$

如果$ R_L >> R_f $，则

$$ V_ {dc} = \ frac {V_m} {\ pi} = 0.318 V_m $$

RMS电流和电压

RMS电流值由下式给出

$$ I_ {rms} = \左[\ frac {1} {2 \ pi} \ int_ {0} ^ {2 \ pi} i ^ {2} d \ left(\ omega t \ right)\ right] ^ {\ frac {1} {2}} $$

$$ I_ {rms} = \ left [\ frac {1} {2 \ pi} \ int_ {0} ^ {2 \ pi} I_ {m} ^ {2} \ sin ^ {2} \ omega t \： d \ left(\ omega t \ right)+ \ frac {1} {2 \ pi} \ int _ {\ pi} ^ {2 \ pi} 0 \：d \ left(\ omega t \ right)\ right] ^ {\ frac {1} {2}} $$

$$ = \ left [\ frac {I_ {m} ^ {2}} {2 \ pi} \ int_ {0} ^ {\ pi} \ left(\ frac {1- \ cos 2 \ omega t} {2 } \ right)d \ left(\ omega t \ right)\ right] ^ {\ frac {1} {2}} $$

$$ = \ left [\ frac {I_ {m} ^ {2}} {4 \ pi} \ left \ {\ left(\ omega t \ right)-\ frac {\ sin 2 \ omega t} {2} \ right \} _ {0} ^ {\ pi} \ right] ^ {\ frac {1} {2}} $$

$$ = \ left [\ frac {I_ {m} ^ {2}} {4 \ pi} \ left \ {\ pi-0-\ frac {\ sin 2 \ pi} {2} + \ sin 0 \ right \} \ right] ^ {\ frac {1} {2}} $$

$$ = \ left [\ frac {I_ {m} ^ {2}} {4 \ pi} \ right] ^ {\ frac {1} {2}} = \ frac {I_m} {2} $$

$$ = \ frac {V_m} {2 \ left(R_f + R_L \ right)} $$

负载两端的RMS电压为

$$ V_ {rms} = I_ {rms} \ times R_L = \ frac {V_m \ times R_L} {2 \ left(R_f + R_L \ right)} $$

$$ = \ frac {V_m} {2 \ left \ {1+ \ left(R_f / R_L \ right)\ right \}} $$

如果$ R_L >> R_f $，则

$$ V_ {rms} = \ frac {V_m} {2} $$

整流器效率

任何电路都需要高效工作才能获得更好的输出。为了计算半波整流器的效率，必须考虑输出功率与输入功率之比。

整流器效率定义为

$$ \ eta = \ frac {dcpower \：\：交付\：\：到\：\：\：\：负载} {acinput \：\：power \：\：from \：\：transformer \：\ ：secondary} = \ frac {P_ {ac}} {P_ {dc}} $$

现在

$$ P_ {dc} = \ left({I_ {dc}} \ right)^ 2 \ times R_L = \ frac {I_m R_L} {\ pi ^ 2} $$

进一步

$$ P_ {ac} = P_a + P_r $$

哪里

$ P_a =功率\：耗散\：在\：的\：结\：的\：二极管

$$ = I_ {rms} ^ {2} \ times R_f = \ frac {I_ {m} ^ {2}} {4} \ times R_f $$

和

$$ P_r =功率\：耗散\：在\：\\负载\：电阻$$

$$ = I_ {rms} ^ {2} \倍R_L = \ frac {I_ {m} ^ {2}} {4} \倍R_L $$

$$ P_ {ac} = \ frac {I_ {m} ^ {2}} {4} \倍R_f + \ frac {I_ {m} ^ {2}} {4} \倍R_L = \ frac {I_ {m } ^ {2}} {4} \ left(R_f + R_L \ right)$$

根据$ P_ {ac} $和$ P_ {dc} $的表达式，我们可以写

$$ \ eta = \ frac {I_ {m} ^ {2} R_L / \ pi ^ 2} {I_ {m} ^ {2} \ left(R_f + R_L \ right)/ 4} = \ frac {4} {\ pi ^ 2} \ frac {R_L} {\ left(R_f + R_L \ right)} $$

$$ = \ frac {4} {\ pi ^ 2} \ frac {1} {\ left \ {1+ \ left(R_f / R_L \ right)\ right \}} = \ frac {0.406} {\ left \ {1+ \ left(R_f / R_L \ right)\ right \}} $$

整流器效率百分比

$$ \ eta = \ frac {40.6} {\ lbrace1 + \ lgroup \：R_ {f} / R_ {L} \ rgroup \ rbrace} $$

从理论上讲，当$ R_ {f} / R_ {L} = 0 $时，半波整流器的整流效率最大值为40.6％。

此外，可以通过以下方式计算效率

$$ \ eta = \ frac {P_ {dc}} {P_ {ac}} = \ frac {\ left(I_ {dc} \ right)^ 2R_L} {\ left(I_ {rms} \ right)^ 2R_L} = \ frac {\ left(V_ {dc} / R_L \ right)^ 2R_L} {\ left(V_ {rms} / R_L \ right)^ 2R_L} = \ frac {\ left(V_ {dc} \ right)^ 2} {\左(V_ {rms} \ right)^ 2} $$

$$ = \ frac {\ left(V_m / \ pi \ right)^ 2} {\ left(V_m / 2 \ right)^ 2} = \ frac {4} {\ pi ^ 2} = 0.406 $$

$$ = 40.6 \％$$

纹波系数

整流后的输出中包含一定量的交流分量，呈波纹形式。通过观察半波整流器的输出波形可以理解这一点。要获得纯直流电，我们需要对此组件有一个了解。

纹波系数给出了整流输出的波纹度。用y表示。这可以定义为电压或电流的交流分量有效值与直流值或平均值之比。

$$ \ gamma = \ frac {波纹\：电压} {dc \：电压} = \ frac {rms \：value \：of \：accomponent} {dcvalue \：of \：wave} = \ frac {\ left( V_r \ right)_ {rms}} {v_ {dc}} $$

这里，

$$ \ left(V_r \ right)_ {rms} = \ sqrt {V_ {rms} ^ {2} -V_ {dc} ^ {2}} $$

因此，

$$ \ gamma = \ frac {\ sqrt {V_ {rms} ^ {2} -V_ {dc} ^ {2}}} {V_ {dc}} = \ sqrt {\ left(\ frac {V_ {rms} } {V_ {dc}} \ right)^ 2-1} $$

现在，

$$ V_ {rms} = \左[\ frac {1} {2 \ pi} \ int_ {0} ^ {2 \ pi} V_ {m} ^ {2} \ sin ^ 2 \ omega t \：d \左(\ omega t \ right)\ right] ^ {\ frac {1} {2}} $$

$$ = V_m \ left [\ frac {1} {4 \ pi} \ int_ {0} ^ {\ pi} \ left(1- \ cos2 \：\ omega t \ right)d \ left(\ omega t \ right)\ right] ^ {\ frac {1} {2}} = \ frac {V_m} {2} $$

$$ V_ {dc} = V_ {av} = \ frac {1} {2 \ pi} \ left [\ int_ {0} ^ {\ pi} V_m \ sin \ omega t \：d \ left(\ omega t \ right)+ \ int_ {0} ^ {2 \ pi} 0.d \ left(\ omega t \ right)\ right] $$

$$ = \ frac {V_m} {2 \ pi} \ left [-\ cos \ omega t \ right] _ {0} ^ {\ pi} = \ frac {V_m} {\ pi} $$

$$ \ gamma = \ sqrt {\ left [\ left \ {\ frac {\ left(V_m / 2 \ right)} {\ left(V_m / \ pi \ right)} \ right \} ^ 2-1 \ right ]} = \ sqrt {\ left \ {\ left(\ frac {\ pi} {2} \ right)^ 2-1 \ right \}}} = 1.21 $$

波纹系数也定义为

$$ \ gamma = \ frac {\ left(I_r \ right)_ {rms}} {I_ {dc}} $$

由于半波整流器中存在的纹波系数值为1.21，这意味着输出中存在的ac量为直流电压的$ 121 \％$

规

通过负载的电流可能会根据负载电阻而变化。但是即使在这种情况下，我们也希望在负载电阻两端获得的输出电压是恒定的。因此，即使在不同的负载条件下，也需要调节我们的电压。

直流电压随直流负载电流的变化而变化的定义为规定。百分比调节计算如下。

$$ Percentage \：regulation = \ frac {V_ {no \：load} -V_ {full \：load}} {V_ {full \：load}} \ times 100 \％$$

百分比调整率越低，电源就越好。理想的电源将具有零百分比调节。

变压器利用率

整流电路中要传递给负载的直流电决定了电路中使用的变压器的额定值。

因此，变压器利用率定义为

$$ TUF = \ frac {dcpower \：to \：be \：delivered \：to \：the \：load} {accrating \：of \：\\\\ transformer \：secondary} $$

$$ = \ frac {P_ {dc}} {P_ {ac \ left(评价为\ right)}} $$

根据变压器理论，次级的额定电压为

$$ V_m / \ sqrt {2} $$

流经它的实际RMS电压为

$$ I_m / 2 $$

因此

$$ TUF = \ frac {\ left(I_m / \ pi \ right)^ 2 \ times R_L} {\ left(V_m / \ sqrt {2} \ right)\ times \ left(I_m / 2 \ right)} $ $

但

$$ V_m = I_m \ left(R_f + R_L \ right)$$

因此

$$ TUF = \ frac {\ left(I_m / \ pi \ right)^ 2 \ times R_L} {\ left \ {I_m \ left(R_f + R_L \ right)/ \ sqrt {2} \ right \} \ times \ left(I_m / 2 \ right)} $$

$$ = \ frac {2 \ sqrt {2}} {\ pi ^ 2} \ times \ frac {R_L} {\ left(R_f + R_L \ right)} $$

$$ = \分数{2 \ sqrt {2}} {\ pi ^ 2} = 0.287 $$

峰值反向电压

二极管在反向偏置连接时，应在受控电压水平下运行。如果超过该安全电压，则二极管会损坏。因此，了解最大电压非常重要。

二极管可以承受而不会被破坏的最大反向电压称为峰值反向电压。简而言之， PIV 。

这里的PIV不过是Vm

构成因素

这可以理解为波形上所有点的绝对值的数学平均值。形状因数定义为RMS值与平均值之比。用F表示。

$$ F = \ frac {rms \：value} {average \：value} = \ frac {I_m / 2} {I_m / \ pi} = \ frac {0.5I_m} {0.318I_m} = 1.57 $$

峰值因子

必须考虑纹波中的峰值，才能知道整流效果如何。峰值因子的值也是一个重要的考虑因素。峰值因数定义为峰值与RMS值之比。

因此

$$峰值因子= \ frac {峰值\：value} {rms \：value} = \ frac {V_m} {V_m / 2} = 2 $$

所有这些都是研究整流器时要考虑的重要参数。