全橋整流器簡介

全波橋式整流器將交流輸入電壓轉換為直流電源電壓。了解此重要電路的操作。

當科學家和工程師第一次制定分配電力的計劃時，他們沒有切實可行的系統來增加或降低直流輸電電壓。相比之下，交流傳輸電壓很容易通過變壓器升高或降低。因此，交流電成為世界范圍內的電力傳輸標準。

交流電壓完全適合燈泡和電機，這兩種類型的負載在電力早期是主要關注的問題。我懷疑，喬治·威斯汀豪斯，也許是歷史上最有影響力的交流配電支持者，永遠無法想象交流電壓會給數字電子時代的工程師帶來多大的不便。

我們仍然需要燈泡和電機，但我們的生活中也充滿了需要穩定直流電源電壓的設備。同時，盡管引入了高壓直流（HVDC）電力系統，但交流輸電仍然占主導地位。因此，交流到直流的轉換——也稱為整流——是電氣工程的一項基本任務。

從廣義上講，執行整流的電路是電氣工程的基本組件。在本文中，我們將討論這些組件中最廣泛使用的：全波橋式整流器，也稱為全橋整流器或簡稱橋式整流器。為了理解是什么讓這個電路如此有用，我們首先需要了解整流——全波和半波——是如何工作的。

二極管半波整流

整流一詞源自拉丁語，意思是“整流”。因此，整流電路將電流向兩個方向移動，并將其“整流”，使其僅向一個方向移動。二極管的定義特征是，它允許電流在一個方向（陽極到陰極）上相當自由地流動，并強烈反對電流在另一個方向上流動（陰極到陽極），所以聽到所有半導體二極管都屬于整流器的大類，也許并不奇怪。

整流交流電壓只需要一個二極管，如圖1所示。請注意，圖右側的電阻器代表負載電路。

LTspice實現了單二極管整流電路。

圖1。單二極管整流電路。圖片由Robert Keim提供

當整流器電路的輸入電壓為正時，電流流過二極管，并在負載電阻器上產生電壓。當輸入電壓為負，需要電流沿相反方向流動時，二極管的功能就像開路——因為沒有電流流過電阻器，所以不會產生電壓，并且電阻器的兩個端子都處于0V接地電位。結果是圖2中的橙色直流波形。

LTspice圖顯示AC輸入波形的半波整流。

圖2:單個二極管將綠色交流波形轉換為橙色直流波形。圖片由Robert Keim提供

將整流波形描述為“DC”似乎相當慷慨，確實我們永遠不想將其用作電子電路的DC電源電壓。然而，嚴格地說，它確實是一個直流波形。盡管電壓波動劇烈，但其極性永遠不會改變，這意味著波形產生的電流將始終朝著同一方向移動。

盡管簡單且至少在一定程度上有效，但單二極管方法有一個明顯的缺點——源波形的正半部分被保留，但負半部分被丟棄。這被稱為半波整流，它會在輸出波形中產生大的間隙。如果我們能找到一種方法來整流輸入信號而不浪費一半，那會更好，而這正是全波整流器所做的。

四個二極管的全波整流

雖然使用兩個二極管和一個中心抽頭變壓器可以實現全波整流，但這種整流器往往比全橋整流器體積更大、成本更高。應用程序的功率越高，包括變壓器就越大、越昂貴。

全橋整流器不需要兩個二極管和一個變壓器，而是需要四個二極管，以使正輸入電壓和負輸入電壓都能沿相同方向驅動電流通過負載。圖3顯示了采用經典菱形配置的全橋整流器的四個二極管。

全波橋式整流器，四個二極管呈菱形配置。

圖3。菱形配置是全波橋式整流器的經典代表。圖片由Tony R.Kuphaldt提供

在該電路中，源極連接到陰極與陽極相遇的節點；輸出取自連接兩個陽極或兩個陰極的節點。正極和負極電源電壓都將導致電流從負載電阻器的正極端子流到負極端子。

使用圖4中的LTspice實現，讓我們更深入地了解四二極管排列是如何實現全波整流的。

LTspice實現了全橋整流器。

圖4。全橋整流器的LTspice實現。圖片由Robert Keim提供

如示意圖所示，輸入源的負極端子是模擬器的參考節點，輸出電壓必須從“整流+”節點到“整流-”節點進行差分測量。

由于輸入源和整流輸出不共享一個共同的參考電勢，如果你關注電壓，這個電路的操作可能會有點混亂。關鍵是要從電流的角度來思考，電流必須來源于電源并返回電源，同時始終向下流經負載電阻器。

只要電流向下流過負載，負載兩端的電壓——或者換句話說，提供給負載的電壓——就會是正的。圖5中的綠色箭頭顯示了電源電壓為正時的電流。

全橋整流器電流在輸入波的正半周期間流動。

圖5。全橋整流器電流在輸入波的正半周期間流動。圖片由Robert Keim提供

然而，當源極電壓為負時，源極符號的下端子的電壓高于上端子的電壓。因此，電流從下端開始，流向上端，如圖6所示。

全橋整流器電流在輸入波的負半周期間流動。

圖6。全橋整流器電流在輸入波的負半周期間流動。圖片由Robert Keim提供

結果，如圖7的電壓圖所示，是一個整流波形，它保留了輸入波的正半周期，并反轉了負半周期。

示出AC輸入信號的全波整流的LTspice圖。

圖7。圖4中的全橋整流器將綠色交流波形轉換為橙色直流波形。圖片由Robert Keim提供

在全橋整流器完成工作后，我們可以通過使用電容器來平滑波動的直流信號，然后使用線性調節器來穩定平滑的信號，從而產生可用的直流電源電壓。

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我們現在已經介紹了四個二極管的巧妙互連如何進行交流到直流轉換的基本知識。您可以通過閱讀All about Circuits網站上提供的帶輸出濾波的全波橋式整流器項目來了解更多關于全橋整流器的信息，如果您愿意，還可以構建該項目。