任务1.2 二极管基本应用电路的分析

知识目标

●熟悉单相整流电路、滤波电路的工作原理。

●掌握单相整流电路、滤波电路输出电压的计算方法。

●掌握二极管限幅电路输出波形的画法。

能力目标

●能根据要求设计整流电路和滤波电路。

●能排除整流电路和滤波电路中的故障。

素质目标

●培养自主学习的能力。

●培养一丝不苟的工作精神。

1.2.1 单相整流电路

常见的家用电器产品中多数要用到直流电源。供直流电的最简单的方法是使用电池，但电池有成本高、体积大、需要不时更换的缺点。而既经济可靠又方便的方式是使用将交流电变成直流电的电源。能将极性正、负交替的工频交流电变换成单方向的脉动直流电的过程称为整流。由于二极管具有单向导电性，所以可以利用二极管的这一特性组成整流电路。根据交流电的相数，整流电路可分为单相整流、三相整流等。在小功率电路中，一般采用单相整流，常见的有单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。半波整流电路只需1个二极管，全波整流电路需要2个二极管，桥式整流电路需要4个二极管。

1.单相半波整流电路

在整流电路的介绍中，一般情况下，将实际二极管看作理想二极管进行分析，即二极管正偏相当于开关闭合，反偏相当于开关断开；同时忽略整流电路中变压器等的内阻。这样处理已能满足工程要求。

图1-23所示电路即为带有纯电阻负载的单相半波整流电路。由二极管VD、电源变压器和负载R_L组成。变压器把交流电网电压u₁变为一定数值的电压u₂，VD为整流二极管，它是电路中的核心器件，R_L是纯电阻负载。变压器二次电压u₂为一个正弦电压，即

式中，U₂为有效值。

1）工作原理。在变压器二次电压u₂正半周（设u₂上端为正，下端为负）期间，二极管正偏而导通，电流经过二极管流向负载，在负载电阻R_L上得到一个极性为上正下负的电压，即u_o=u₂，而在u₂的负半周期间，因为u₂改变了极性，所以二极管反偏截止，负载上几乎没有电流流过，即可认为u_o=0。所以负载上得到了单方向的半波直流脉动电压，负载电流也是半波直流脉动电流。

在半波整流电路中各处的波形如图1-24所示。由图可见，由于二极管的单向导电作用，所以使变压器二次交流电压变换成负载两端的单向脉动电压，达到了整流的目的。因为这种整流电路只在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，所以称为半波整流电路。

2）输出直流电压U_o(AV)和直流电流I_o(AV)。U_o(AV)是整流输出电压瞬时值u_o在一个周期内的平均值，即

负载电流的直流分量I_o(AV)为

3）二极管平均电流（直流电流）I_D(AV)。在半波整流电路中，二极管的电流在任何时候都等于输出电流，所以二者的平均电流也相等，即

I_D(AV)=I_o(AV)

4）二极管最大反向峰值电压U_DRM。整流二极管的最大反向峰值电压U_DRM是指整流二极管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。由图1-24很容易看出，整流二极管所承受的最大反向电压U_DRM=。

为了保证整流二极管安全可靠地工作，应根据I_FM＞I_D(AV)和U_RM＞U_DRM的原则，选用合适的二极管，并查阅有关半导体器件手册，确定二极管的型号。

半波整流电路的优点是结构简单、使用元器件少。但是也有明显的缺点，即输出直流分量较低、输出纹波大，而且只利用了交流电半个周期，电源变压器的利用率低。所以半波整流电路只能用在输出电流较小、要求不高的地方。

2.单相桥式整流电路

单相桥式整流电路如图1-25a所示，图中T为电源变压器，R_L是要求直流供电的负载，4只二极管被接成电桥形式，故称为桥式整流电路。图1-25b是单相桥式整流电路的简化画法。在桥式整流电路中的4只二极管可以是4只分立的二极管，也可以是四线封壳的桥式整流器（桥堆）。

变压器二次电压u₂为一个正弦电压，即。

1）工作原理。在u₂的正半周内（设A端为正，B端为负），VD₁、VD₃因正偏而导通，VD₂、VD₄因反偏而截止；在u₂的负半周（B端为正，A端为负），二极管VD₂、VD₄导通，VD₁、VD₃截止。但是无论在正半周或负半周，流过R_L的电流方向是一致的。在整个周期内，4只二极管分两组轮流导通或截止，这样不断重复，负载上就得到单方向的全波脉动直流电压和电流。在单相桥式整流电路中各处的波形如图1-26所示。

2）输出直流电压U_o(AV)和直流电流I_o(AV)。由图1-26可知，桥式整流输出电压波形的面积是半波整流时的两倍，所以输出电压的平均值也是半波时的两倍，即

输出电流平均值

3）二极管平均电流I_D(AV)。在桥式整流电路中由于4只二极管两两轮流导电，即每只二极管都只是半周导通，所以每个二极管的平均电流是输出电流平均值的1/2，即

4）二极管最大反向峰值电压U_DRM。由图1-26可见，在正半周时，VD₁、VD₃导通，VD₂、VD₄截止，则二极管VD₂、VD₄承受的最大反向电压为。同理，VD₁、VD₃承受的最大反向电压也为。

由以上分析可知，由于桥式整流比半波整流输出的脉动小，直流分量大，交流分量小，所以纹波小，且每个二极管流过的平均电流也小，因此桥式整流电路应用最为广泛。

1.2.2 滤波电路

上面分析的单相整流电路，无论是哪种整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分。除了在一些特殊场合（如电镀电解和充电电路）可以直接作为供电电源外，通常还需要采取一定措施，一方面尽量降低输出电压中的交流成分；另一方面又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近理想的直流电压，这样的措施就是滤波。

构成滤波器的主要元件是电感或电容，由于电感和电容对交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同，所以如果把它们合理地安排在电路中，就可以达到降低交流成分、保留直流成分的目的，体现出滤波的作用。

常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等。

1.电容滤波电路

（1）单相半波整流电容滤波电路

图1-27所示电路是具有电容滤波器的单相半波整流电容滤波电路。电容C并联在负载R_L两端，由于电容两端的电压不能突变，所以它能够阻止电压的脉动。

1）工作原理。单相半波整流电容滤波电路输出波形如图1-28所示。假定电容C上的初始电荷为零，接通电源时，u₂从零开始上升，在0～t₁期间，u₂随时间按正弦规律升至U_2m，二极管VD正偏导通，u₂向C充电，充电路径是从变压器二次侧的a端经内阻R_n、二极管VD、电容C再回到变压器二次侧的b端，充电时间常数很小（τ_充=R_nC），C上电压很快充电到u₂的峰值。在过了t₁以后，u₂＜u_C时，二极管阳极电位低于阴极电位，二极管VD因反偏而截止，C只能通过负载R_L放电。放电时间常数τ_放=R_LC，R_L越大C越大，放电越慢，u_o的波形越平滑。当C放电到t₃时，u₂=u_C，且u₂上升，u₂＞u_C，故VD又导通，C再充电，重复上述过程。如此周而复始，使负载电压波形平滑，输出脉动大大减小。

2）输出直流电压U_o(AV)的估算。在输出电压波形中，直流分量U_o(AV)的精确计算较烦琐，一般按经验公式估算。对于电容滤波半波整流电路来讲，当R_L趋近于∞时，U_o(AV)=。随着负载增加（即R_L减小），I_o(AV)增大，放电加快，输出电压波形脉动加大，U_o(AV)值减小。U_o(AV)的最小极限值为U_o(AV)=0.45U₂（即C=0，无电容滤波时）。图1-29所示为半波整流电容滤波的外特性（输出电压U_o(AV)与输出电流I_o(AV)之间的关系曲线称为电路的外特性）曲线。由此可知，这种电路应用在I_o(AV)较小且不变的场合较适宜。因此通常取

3）流过二极管的平均电流I_D(AV)与二极管承受的最大反向电压U_DRM为

在这种电路中，二极管导通时间很短，即导通角小于180°，但平均输出电流提高了，二极管在短暂的导电时间内流过一个很大的冲击电流，对二极管的寿命不利，因此，在选用二极管时，I_D(AV)应远小于I_FM，二极管承受最大反向电压U_DRM应小于U_RM。

4）滤波电容容量与耐压的确定。为了获得较好的滤波效果，在R_L一定的条件下，C越大，滤波效果越好，一般情况使放电时间常数。T为电源交流电压周期，所以滤波电容容量为

电容耐压值。

（2）单相桥式整流电容滤波电路

图1-30所示电路是单相桥式整流电容滤波电路。图1-30a为电路原理图。电容C并联在负载R_L两端，由于电容两端的电压不能突变，所以它能够阻止电压的脉动。图1-30b、d是这个电路中电压和电流的波形图。图1-30c是放电时间常数R_LC对输出电压u_o的影响。

1）工作原理。假定电容C上初始电荷为零，接通电源时u₂由零逐渐增大，二极管VD₁、VD₃正偏导通，此时u₂经二极管VD₁、VD₃，一方面向负载R_L提供电流；另一方面向电容器C充电，充电时间常数很小（τ_充=R_nC，R_n是由电源变压器、二极管构成的总的等效直流电阻），C上电压很快充电到u₂的峰值，即，（充电期间i_D=i_C+i_o）。u₂达到最大值以后按正弦规律下降，当u₂＜u_C时，VD₁、VD₃的阳极电位低于阴极电位，所以VD₁、VD₃截止，C只能通过负载R_L放电。放电时间常数τ_放=R_LC，R_LC越大，放电越慢，u_o（即u_C）的波形越平滑（放电期间i_C=i_o）。当C放电到二极管VD₂、VD₄的阳极电位大于阴极电位时（此时u₂处于负半周），VD₂、VD₄正偏导通，u₂通过VD₂、VD₄向C充电，同样C上电压很快充电到u₂的峰值，过了该时刻以后，VD₂、VD₄因阳极电位低于阴极电位而截止，C通过负载放电，如此周而复始，使负载电压波形平滑，输出脉动大大减小。

2）输出直流电压U_o(AV)的估算。在输出电压波形中，直流分量U_o(AV)的精确计算较烦琐，一般按经验公式估算。在桥式整流电容滤波电路中，当R_L趋近于∞时，。随着负载增加（即R_L减小），I_o(AV)增大，放电加快，输出电压波形脉动加大，U_o(AV)值减小。U_o(AV)的最小极限值为U_o(AV)=0.9U₂（即C=0，无电容滤波时）。图1-31所示为桥式整流电容滤波电路的外特性曲线。因为桥式整流电容滤波电路的外特性比半波整流电容滤波电路的外特性好，所以通常取

3）流过二极管的平均电流I_D(AV)与二极管承受的最大反向电压U_DRM为

在选择二极管时，I_D(AV)应远小于I_FM，二极管承受的最大反向电压U_DRM应小于U_RM。

4）滤波电容容量与耐压的确定。滤波电容容量的大小仍按式（1-13）计算，电容C的耐压必须大于。

电容滤波电路结构简单，使用方便，但是当要求输出电压的脉动成分很小时，势必要求电容的容量很大，有时可能很不经济。在这种情况下，可以考虑采用其他形式的滤波电路，以进一步减小输出脉动。

【例1-3】某电子设备要求直流电压U_o(AV)=24V，直流电流I_o(AV)=120mA，交流电源电压U₁=220V，频率f=50Hz。采用单相桥式整流电容滤波电路，试选择电路中的元器件。

解：1）电源变压器参数的计算。

变压器二次绕组电压有效值为

变压器的电压比为

变压器二次绕组电流有效值为

I₂=(1.5～2)I_o(AV)=2×120mA=240mA

2）整流二极管的选择。

流过二极管的平均电流为

二极管承受的最大反向电压为

因此，可选2CZ53B硅整流二极管，其允许的最大整流电流为300mA，最大反向工作电压为50V，均留有较大裕量；也可选用最大整流电流为200mA和最大反向工作电压为50V的QL3全桥硅堆。

3）选择滤波电容。

式中，T为交流电源的周期（s）；时间常数取为4。

电容耐电压为

可选容量为220μF、耐电压为50V的电解电容。

2.电感滤波电路

图1-32所示为桥式整流电感滤波电路，电感L串联在负载R_L回路中。由于电感的直流电阻很小，交流阻抗很大，所以直流分量经过电感后基本上没有损失，但是对于交流分量，在jωL和R_L上分压以后，大部分交流分量降落在电感上，而在负载上的交流压降很小，故降低了输出电压中的脉动成分，使负载R_L上得到较为平滑的直流电压。在忽略滤波电感L上的直流压降时，则输出的直流电压U_o=0.9U₂。

电感滤波电路的优点是，输出特性比较平坦，而且电感L越大，R_L越小，输出电压的脉动越小，适合于负载电流较大的场合；缺点是体积大，成本高。

3.复式滤波电路

（1）π形RC滤波电路

图1-33所示为单相桥式整流π形RC滤波电路。这种滤波电路是在电容滤波基础上再加一级RC滤波。经过第一次电容C₁滤波以后，C₁两端脉动电压（包含一个直流分量和一个交流分量）加在R和C₂组成的分压器上，由于电容C₂对交流分量电压呈现的阻抗远小于电阻R（通常选择滤波元件的参数，使其满足关系R远大于），所以交流分量电压绝大部分降在R上，使负载上交流分量压降很小，而直流分量电压由于R_L远大于R而绝大部分降在R_L上。这样直流分量最大限度地降在负载上，而交流分量最大限度地降在R上，起到了减小纹波、进一步滤波的作用。

负载R_L上得到直流电压为

这种滤波电路R上要损失一部分直流能量，故它只适用于负载电流较小的场合。

（2）π形LC滤波电路

图1-34所示为π形LC滤波电路。由于电感L的直流电阻很小，所以电感L上的直流压降很小，负载上的直流电压U_o(AV)≈U_C1=1.2U₂。

对于输出电压的交流分量来说，由于ωL远大于，所以电感上的交流分量压降很大，负载上的交流分量压降很小。这种滤波电路在负载电流较大或较小时均有良好的滤波作用。

1.2.3 限幅电路

利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点，可组成限幅（削波）电路，用来限制输出电压的幅度。二极管限幅电路如图1-35所示。

在图1-35a所示电路中，设u_i为幅值大于直流电源电压U_C1（=U_C2）值的正弦波。当u_i为正半周时，若u_i＜U_C1，则二极管VD₁、VD₂均截止，输出电压u_o=u_i；若u_i＞U_C1，则VD₁正偏导通，VD₂仍截止，u_o=U_C1。

当u_i为负半周时，若u_i＞-U_C2，则二极管VD₁、VD₂均截止，输出电压u_o=u_i；若u_i＜-U_C2，则VD₂正偏导通，VD₁截止，u_o=-U_C2。u_o的波形如图1-35b所示。可见，输出电压正、负半波的幅度同时受到了限制，该电路称为双向限幅电路。

若去掉VD₂和U_C2，则输出电压正半波的幅度受到限制，其电路称为正向限幅电路；反之，若去掉VD₁和U_C1，则构成负向限幅电路。请读者自行分析，并画出它们的波形。

二极管限幅电路可用作保护电路，以保护半导体器件不受过电压的危害，也可用来产生数字信号中的恒幅波等。