二極管的一個(gè)重要應(yīng)用是在整流器電路的設(shè)計(jì)中。簡(jiǎn)單地說，該電路將交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流電(DC)。這是交流轉(zhuǎn)直流電源設(shè)計(jì)中必不可少的電路。

　　整流電路

　　為了給任何電路供電，都需要一個(gè)電源;如果您想通過交流電源為電子設(shè)備供電，則需要整流器。

　　圖 1.1 說明了直流電源的示意圖。有一條 120 V (rms)、60 Hz 的交流線路為電源供電，該電源將電壓V O傳送到電子電路(負(fù)載塊)。V O必須是穩(wěn)定的直流電壓，以確保電子電路正常工作。

　　圖 1.1

　　首先我們看到了變壓器。該變壓器是一種降壓變壓器，可將高交流輸入電壓“降壓”為較低的交流電壓以輸入到整流器中。該變壓器由兩個(gè)獨(dú)立的線圈繞組(初級(jí)和次級(jí)繞組)組成，它們具有不同的匝數(shù)，N 1用于初級(jí)，N 2用于次級(jí)。因此，AC電壓v小號(hào)-可被寫為120(N 2 / N 1)V(有效值)并且在次級(jí)繞組的兩個(gè)端子之間測(cè)量的。

　　接下來，二極管整流器將交流電壓v S轉(zhuǎn)換為直流電壓。該電壓將表現(xiàn)出很大的變化，因此不適用于電子電路。過濾器用于消除這些變化。

　　然而，即使在濾波之后，電壓也會(huì)表現(xiàn)出稱為紋波的微小變化。因此，使用穩(wěn)壓器來大大降低紋波并建立可靠的直流電源軌。

　　半波整流電路

　　半波整流器消除了輸入正弦波的負(fù)部分。在圖 1.2 (A) 中，說明了半波整流器。在本文中，我們將使用二極管的恒壓降 (CVD) 模型，因?yàn)樗芎?jiǎn)單。從這個(gè)模型中，我們得到了

　　v0=0v0=0 當(dāng) vS

　　公式 1.1 (A)

　　v0=vS?VDv0=vS?VD 當(dāng) vS geqVDvS geqVD

　　公式 1.1 (B)

　　其中V D ≈ 0.7 V。上述等式導(dǎo)致傳輸特性如圖 1.2 (B) 所示。圖 1.2 (C) 說明了當(dāng)輸入電壓v S 為正弦波時(shí)提供的電壓輸出。

　　圖 1.2 (A) 半波整流器

　　圖 1.2 (B) 整流電路的傳遞特性

　　圖 1.2 (C) 輸入輸出波形

　　在確定在整流電路中使用哪些二極管時(shí)，需要考慮兩件事：1) 二極管處理電流的能力，必須根據(jù)二極管預(yù)期傳導(dǎo)的最大電流進(jìn)行選擇，以及 2 ) 峰值反向電壓 (PIV)，即二極管將承受的最高反向電壓;二極管必須能夠承受 PIV。看圖1.2(A)，我們可以觀察到，當(dāng)電壓 v S 為負(fù)時(shí)，二極管將被截止，電壓 v O為零，導(dǎo)致二極管兩端的反向電壓為v S . 因此，PIV 是v S的峰值：

　　PIV = V S

　　公式 1.2

　　其中V S(帶有大寫 V)表示輸入正弦波的峰值幅度。

　　值得注意的一件事是，當(dāng)輸入正弦波的峰值幅度不明顯高于V D時(shí)，電路顯然不會(huì)有效運(yùn)行。例如，峰值幅度為 200 mV 的正弦輸入根本不會(huì)被整流，因?yàn)槎O管永遠(yuǎn)不會(huì)“開啟”，即它永遠(yuǎn)不會(huì)傳導(dǎo)大量電流。

　　全波整流電路

　　與半波整流器不同，全波整流器可以利用交流輸入電壓的負(fù)部分和正部分。為了實(shí)現(xiàn)單極性輸出，必須反轉(zhuǎn)正弦波形的負(fù)部分。這可以通過使用圖 1.3 (A) 所示的電路來實(shí)現(xiàn)。

　　圖 1.3 (A) 全波整流電路;變壓器有一個(gè)中心抽頭的次級(jí)繞組

　　在這種配置中，降壓變壓器的次級(jí)繞組是所謂的“中心抽頭”。中心抽頭或 CT 是沿繞組中途形成的電觸點(diǎn)。該 CT 用于在變壓器次級(jí)繞組的兩半之間提供兩個(gè)相等的電壓 v S。當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，兩個(gè)v S 信號(hào)也將為正，當(dāng)輸入電壓大于V D 時(shí)，二極管 D 1 將導(dǎo)通，二極管 D 2 將反向偏置。流入二極管D 1的電流也 將流經(jīng)電阻 R 然后回到CT。在輸入正弦波的正半周期間，該電路的行為就像半波整流器。

　　在負(fù)半周期間，兩個(gè) v S 電壓都將為負(fù)。現(xiàn)在，二極管 D 1反向偏置，二極管 D 2導(dǎo)通。流經(jīng)D 2的電流 隨后將流經(jīng)電阻器 R 并返回 CT。

　　因此，電流在兩個(gè)半周期內(nèi)流動(dòng)，而且通過電阻器的電流將始終以相同的方向流動(dòng)。結(jié)果是單極性輸出電壓，如圖 1.3 (C) 所示。

　　圖 1.3 (B) 全波整流器的傳遞特性

　　如果我們考慮電路在正半周期間的操作，則D 2陰極的電壓為 ( v S - V D )，D 2陽極的電壓為 - v S。因此，PIV 是 ( V S - V D ) - (- V S )：

　　PIV = 2 V S - V D

　　公式 1.3

　　請(qǐng)注意，此 PIV 大約是半波整流器的兩倍。

　　圖 1.3 (C) 輸入輸出波形

　　結(jié)論

　　在本文中，我們討論了整流電路的用途以及兩種特定類型的整流器：半波整流器和全波整流器。

　　整流器是電源的基本電路，可將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為可用于為電子電路供電的直流電壓電源。我們看到半波整流器使用輸入正弦波的交替半周，而全波整流器同時(shí)使用正半周和負(fù)半周。