二极管整流:半波，全波，PIV

在电子学中，整流是一个整流二极管将交流全周期交流输入信号转换为半周期直流输出信号的过程。

一个二极管产生半波整流，四个二极管组成的网络产生全波整流

在这篇文章中，我们将分析半波和全波二极管整流过程，以及通过时变函数如正弦波和方波的其他特性。意思是，通过电压和电流，它们的大小和极性随时间变化。

我们将考虑二极管是理想的二极管，忽略它是硅二极管还是锗，以减少计算的复杂性。我们将认为该二极管是具有标准整流能力的标准整流二极管。

半波整流

显示应用于二极管的时变信号的最简单的图如下图所示:

这里我们可以看到一个交流波形，其中周期T表示波形的一个完整周期，它是中心轴上下各部分或峰的平均值或代数和。

一种电路，其中一个整流二极管与一个时变的正弦交流信号输入相结合，产生一个值为输入量一半的直流输出叫半波整流器．在这个电路中二极管被称为整流器。

在交流波形的t = 0→t /2这段时间内，电压的极性vi在如下图所示的方向上产生一个“压力”。这允许二极管打开并以二极管符号上方指示的极性进行传导。

由于二极管是完全导电的，用短路替代二极管，将产生如图所示的输出。

毫无疑问，产生的输出似乎是应用在波形中心轴以上的输入信号的精确复制。

在T/2→T期间，输入信号的极性vi变为负的，这导致二极管关闭，导致在二极管两端形成一个等效的开路电路。因此，电荷在T/2→T期间无法通过二极管通道，导致vo为:

vo = iR = 0R = 0v(采用欧姆定律)。响应可以在下图中显示出来:

在这个图中，我们可以看到二极管的直流输出Vo在输入整个周期的轴上方产生了一个净平均正区域，可以通过以下公式确定:

Vdc = 0.318 Vm(半波)

二极管半波整流过程中的输入电压vi和输出电压vo如下图所示:

从上面的图表和解释，我们可以定义半波整流是一个过程，其中一半的输入周期被二极管在其输出处消除。

使用硅二极管

当硅二极管作为整流二极管时，由于硅二极管具有VT = 0.7 V的正向压降特性，因此产生一个正向偏置区域，如下图所示:

VT = 0.7 V意味着现在输入信号必须至少是0.7 V，以确保二极管成功打开。如果输入VT小于0.7 V，则二极管无法接通，二极管将继续处于开路模式，Vo = 0 V。

当二极管在整流过程中导电时，它产生一个直流输出，电压差vo - vi具有固定的电压水平，等于上面讨论的正向降0.7 V。我们可以用下面的公式来表示这个固定水平:

vo = vi - VT

这产生了在轴以上的平均输出电压的减少，引起轻微的净减少的整流输出二极管。

参考上面的图，如果我们认为Vm(峰值信号水平)足够高的VT，这样Vm >> VT，我们可以评估平均直流输出值从二极管使用以下公式，相当准确。

Vdc≅0.318(Vm - VT)

更准确地说，如果输入交流峰值足够高于二极管的VT(正向降)，那么我们可以简单地使用前面的公式来估计二极管的整流直流输出:

Vdc = 0.318虚拟机

半桥整流器的求解实例

问题:

评估输出vo，并找出输出的直流大小的电路设计如下所示:

解决方案:对于上述电路网络，二极管将为输入信号的负部分打开，vo将如下图所示。

对于输入交流周期的整个周期，直流输出为:

Vdc = 0.318 vm = - 0.318(20 V) = - 6.36 V

负号表示输出直流的极性，与问题下的图中提供的极性相反。

问题# 2:考虑二极管为硅二极管，可以解决上述问题。

在硅二极管的情况下，输出波形看起来像这样:

输出直流可计算如下:

Vdc≅- 0.318(Vm - 0.7 V) = - 0.318(19.3 V)≅- 6.14 V

由于0.7 V的因素，输出直流电压的下降大约是0.22V或大约3.5%

全波整流

当交流正弦信号作为输入进行整流时，直流输出可以使用全波整流过程提高到100%水平。

实现这一目标最著名和最简单的方法是使用4二极管桥式整流器网络如下所示。

当正输入周期通过周期t = 0到t /2时，输入交流信号通过二极管和二极管输出的极性如下所示:

在这里，我们可以看到，由于二极管网络在桥上的特殊安排，当D2, D3导通时，相反的二极管D1, D4保持反向偏置并处于开关OFF状态。

通过D2、D3的整流过程产生的净输出DC如图所示。由于我们把二极管想象得很理想，所以输出是vo = vin。

现在，同样地，输入信号二极管D1、D4传导和二极管D2、D3进入OFF状态，如下图所示:

我们可以清楚地看到，桥式整流器的输出已经将输入交流的正半周和负半周转换为中心轴以上的两个直流半周。

由于轴上方的这个区域现在是半波整流得到的区域的两倍多，输出直流也将成为两倍的幅度，使用以下公式计算:

Vdc = 2(0.318虚拟机)

或

Vdc = 0.636Vm(全波)

如上图所示，如果用硅二极管代替理想二极管，在导电线上应用基尔霍夫电压定律会得到以下结果:

vi - VT - vo - VT = 0，和vo = vi - 2VT，

因此输出电压峰值vo为:

呕吐= Vm - 2VT

在V >> 2VT的情况下，我们可以使用前面的方程，以相当高的精度得到平均值:

Vdc≅- 0.636(Vm - 2VT)，

同样，如果Vm显著高于2VT，则2VT可以简单忽略，方程可解为:

Vdc≅- 0.636(Vm)

峰值反向电压

二极管的峰值反向电压(PIV)额定值有时也称为峰值反向电压(PRV)额定值，是整流电路设计中的一个重要参数。

它基本上是二极管的反向偏置电压范围，不能超过这个范围，否则二极管可能通过过渡到齐纳雪崩区域而击穿。

如果我们将基尔霍夫电压定律应用于半波整流电路，如下所示，它简单地解释了二极管的PIV额定值必须高于整流输入电源的峰值。

对于全桥整流器，PIV额定值计算与半波整流器相同，即:

PIV≥Vm，因为Vm为所连接负载的总电压，如下图所示。

全桥整流网络的求解实例

确定下列二极管网络的输出波形，并计算网络中每个二极管的输出直流电平和安全PIV。

解决方案:对于正半周期，电路表现如下图所示:

为了更好的理解，我们可以按照以下方式重新绘制:

这里，vo = 1/2vi = 1/2vi (max) = 1/2(10 V) = 5 V

对于负半周期，可以互换二极管的导通作用，输出vo如下图所示:

桥中没有两个二极管导致直流输出减少，幅度如下:

Vdc = 0.636(5 V) = 3.18 V

这与我们从具有相同输入的半桥整流器得到的结果完全相同。

PIV将等于在R上产生的最大电压，即5 V，或用相同的输入进行半波整流所需电压的一半。