如何将交流电转换为直流电

本文介绍二极管、桥式整流器的基本知识，以及如何使用二极管将交流电转换成直流电。

二极管

这是二极管的物理图片和电路符号：

二极管

二极管末端的小灰条表示二极管的负极。

什么是二极管？

二极管是一种只允许电流单向流动的器件。

仅允许单向流动。

所以，如果你给二极管的阳极输入交流电，负电压就会停止，在二极管的负端只能得到波形的正半部分。这个过程叫做半波整流。它也适用于其它负电压波形，如方波、三角波等。

正弦波半波整流

方波半波整流

三角波半波整流

正向压降

如果你仔细观察正弦波的整流波形，你会发现波形顶部少了一块：

少了一件。

那是因为完美的二极管不存在。所有二极管都有一个所谓的正向压降或Vf。这意味着每当电流正向流过二极管时，电压通常下降约0.7伏。准确的数字会随着温度、电流和二极管类型而变化，但现在我们将其视为0.7伏。

正向电压降

因此，在二极管两端的电压达到0.7伏之前，二极管不会导通。

一旦它被打开，它的两端总会有0.7伏的电压降。

0.7伏电压降

对于二极管，当输入电压为负时，二极管不能导通，所以输出电压为0伏。

当输入电压为0.3伏时，仍然不足以导通二极管，因此输出电压为0伏。

当输入电压为0.9V时，二极管导通，但由于正向压降，输出端的电压为0.2V。

当输入电压为10伏时，输出端的电压为9.3伏。

仅在高于0.7V时打开。

额定功率

二极管还有一个更重要的参数，额定功率。二极管的功率通过Vf乘以流经二极管的电流来计算。

二极管功率计算公式

所以当电流为1mA时，只有0.7mW会因发热而损耗，问题不大。

0.7兆瓦

但是当通过二极管的电流达到3安培时，就会产生2.1瓦的热量，这是非常大的。因此，您应该使用功率更高的二极管或正向压降更低的二极管，如肖特基二极管。

2.1W

开关速度

二极管的最后一个值得注意的参数是开关速度。该参数在文件中一般写成电特性中的反向恢复时间，符号为trr。

1N4007是专门为低频电力电子设备设计的，比如家里50-60 Hz的交流电源。

二极管速度测试电路

测试二极管开关速度

当频率为50赫兹时，一切正常：

1N4007 50Hz一切正常。

当交流信号的频率增加到10 kHz时，二极管开始失效，因为它开始反向导通：

1N4007是十几千赫兹完成的。

这是因为二极管在允许电流正向传导和阻止反向电流之间切换需要一定的时间。不同的二极管有不同的开关速度。

1N4148的开关速度为：4ns:

1N4148切换速度为4纳秒。

把上面的1N4007换成1N4148，可以支持100k频率的信号。

1N4148可支持高达100 kHz的信号

对于RF应用，您需要开关速度更快的二极管。

设计电路时，需要考虑二极管的最大额定电压、正向压降、额定电流和开关速度。

二极管的几个重要参数

半波整流

有了以上的知识，就可以用二极管造东西了。二极管最常见的用途是将交流电转换成直流电。让我们建立一个不受监管的DC电力供应。

首先，我们需要将家用220伏电源降压至更低、更安全的交流电。详情请参考我的另一篇变形金刚教程。

上/更好/以前/一个姓氏

变压器输出12伏交流电。

图中的蓝黄线来自变压器的12伏输出端。

当负载为零时，变压器输出一个干净的正弦波，峰峰值约为36伏，频率为50赫兹。

干净的正弦波

二极管上场

在输出波形后添加一个1N4007二极管，然后测量二极管两端的电压。从波形可以看出，负电压被截断。

单二极管整流器电路

单二极管整流器电路

以下是上述单二极管整流的波形图：

单二极管整流波形

这是将上述两个波形叠加在一起的效果：

单二极管整流波形

技术上我只用了一个二极管把交流电转换成直流电，因为负电压消除了。但是这个直流电太差了。一半时间是奇怪的驼峰电压，一半时间电压为零，基本没用。为了使它有用，我们必须给它增加一点稳定性。说到稳压，我们的老朋友电容该出来了。我们在输出端增加一个电容来稳定电压。

电容上场

我们在二极管后增加一个4.7微法的电容，立即输出18V DC的完美电压：

18V DC

因为电路中没有负载，所以一切看起来都很漂亮。通过电容充电，因为没有负载，电容中储存的电荷不会耗尽。让我们在电路中增加一个4.7k的电阻作为负载，看看会发生什么。

4.7k负载

根据欧姆定律，可以计算出通过负载的电路约为4 mA，18V/4.7k=4 mA。

CH1探针仍然连接到二极管的阳极，CH2探针仍然连接到二极管的阴极。下图中CH1为黄色，CH2为青色。

尴尬

4 mA的电流电路无法支持，输出DC变成锯齿状的剧烈抖动波形。从上面的波形可以看出，当交流输入为正时，二极管允许电流通过，因此电容被充电。但是一旦输入电压下降到零，二极管将停止电流的反向流动，剩下的唯一能量就是微小的4.7微法电容。如图，即使负荷很小，也会很快用完。

如何解决这个问题？如果我们将电容器视为储存电荷的蓄水池，我们可以增加蓄水池的容量，为负载提供足够的电力，直到下一个输入电压再次变为正。

当前位置让我们用一个更大的470微法电容来代替那个微小的1微法电容，看看会发生什么。

增加电容

电容增加到470微法后，直流电又变直了，看起来还不错。现在，我们有了一个DC电源，它可以提供几毫安的电流，足以为一些传感器和运算放大器供电。

好看。

现在，让我们增加负载。我们将负载电阻增加到10欧姆，这将使电路所需的电流增加到1安培以上。

10欧姆负载波形

输出电压再次抖动，电压纹波幅度很大。均方根电压只有8伏，所以电路中流过的电流只有0.8安培左右。

更大的电容

所以，即使是470微法的电容也是不够的。我们可以增加更多的电容。

更多电容器

3290uF电容器波形

好多了。现在电压有效值达到了10伏，说明电路中流过的电流在1安培左右，峰峰值从14伏降到了5伏以上。但是5伏的纹波真的太大了。我们可以继续增加更多电容来降低纹波，但如果负载电流继续增加到几安培，我们就必须继续增加电容。这简直就是无底洞。我们不能继续这样下去了，只好另辟蹊径。

疯狂增加电容

让我们来看看下面这个神奇的电路：

整流桥

它由四个按一定顺序排列的二极管组成，称为“桥式整流”电路。也称为桥式整流器。

:整整半个星期

在正弦波的正半周，连接到菱形左侧的电压为正(红色)，连接到散射右侧的电压为负(蓝色)。红色和蓝色二极管打开，允许电流向前流动。剩下的两个二极管停止流动，相当于开路。电流从高端沿红色(正)路径流向负载，然后沿负载流向输出端，并沿蓝色(负)路径返回低端电源端。

全波整流

负半周

现在在正弦波的后半部分，连接到菱形左侧的输入为负(蓝色)，连接到菱形右侧的输入为正(红色)。电流从低端向右沿红色(正)路径流向输出端，并沿蓝色(负)路径返回低端电源端。

所以相对于半波整流切断交流电的负半周而不使用，全波整流把负半周反过来使用。因此，在输出端将获得100赫兹的DC，而不是50赫兹。

半全波整流的比较

就像前面用二极管半波整流一样，我们也可以用电容对全波整流的输出进行滤波，以获得更平滑的电压。

这是一个作者用四个1N4007二极管和输入变压器的12伏输出构建的桥式整理器。请注意，我使用了一个4.7k电阻作为负载。因为此时没有电容滤波，如果不接负载直接测量输出波形，会有变形：

自制整流桥

从下面的波形可以看出，之前正负电压的50 Hz电压，经过整流后变成了100 Hz无负电压的恒定正驼峰电压。这称为全波整流，因为我们对所有交流波进行整流。白色波形为输入波形，使用示波器的参考波形功能保存并显示。此时，交流和DC没有共同点，因此不可能同时测量这两个波形。整流波形的峰峰值为16.3伏，均方根值为11.2伏。

整流桥波形

现在，让我们使用一个470微法的电容，将其连接到一个10欧姆的负载，看看全波整流是如何工作的。

全波整流和半波整流的比较

现在我们得到了10伏的平均电压，而不是以前用单个二极管得到的8伏。这是因为全波整流器给电容器充电的速度是半波整流器的两倍。因为我们充分利用了50 Hz交流市电的正负半波。

现在想想这些额外的二极管只需要几分钱的区别。

桥式整流器可能有点难懂，因为这个电路太经典了，但它是人类智慧最好的体现之一，它的身影无处不在，有必要学习一下。

现在让我们来看看使用3290微法电容滤波的全波整流波形：

整流使用3290uF电容器。

均方根值(可以理解为平均值)达到11.2伏，高于之前滤波470微法的10伏，功率纹波也从8.5伏降低到3.72伏。

换句话说，桥式整流器和大量电容的组合可以把几乎任何大电流的交流电变成大电流的直流电。但是，应该注意，所用二极管和电容的额定电压必须大于要整流的波形的峰值电压。这里，全波整流后的波形峰峰值为16.3伏。使用额定电压为25伏或以上的电容器就足够了。

电容器的额定电压

应该注意的是，这些是未经调节的DC电源。这意味着即使我们成功地消除了很多电压纹波，我们仍然会遇到负载下平均电压变化的问题。

空载时16.4伏：

空载电压稳定性

1安培负载电压下降到11.2伏；

负载下的电压降

如果电路中的电流继续增加，输出电压将下降。对于一些电压要求较宽的电路，这不是问题。但是对于微控制器等数字电子产品，需要非常精确的电压源，所以需要产生所谓的稳压电源。

需要精确电压的设备

线性调节器的典型电路

下一期再说电压调节器。