什么是半波整流器

　　波整流器是指只允许交流电压波形的一个半周期通过，阻塞另一个半周期的整流器。半波整流器用于将交流电压转换为直流电压，只需要一个二极管即可构成。

　　整流器是一种将交流电(AC)转换为直流(DC)的装置。它是通过使用一个二极管或一组二极管完成的。半波整流器使用一个二极管，而全波整流器使用多个二极管。

　　半波整流器的工作利用了二极管只允许电流流向一个方向的事实。

　　半波整流器的工作原理

　　半波整流器是可用的最简单的整流器形式。我们将看到一个完整的半波整流电路后-但让我们首先了解这种类型的整流正在做什么。

　　说明了半波整流器的基本原理。当一个标准的交流波形通过一个半波整流器，只有一半的交流波形保留。半波整流器只允许交流电压的一个半周期(正半周期或负半周期)通过，并将阻断直流侧的另一个半周期，如下所示。

　　构造半波整流器只需要一个二极管。实质上，这就是半波整流器所做的全部工作。

　　由于直流系统的设计是让电流流向一个单一的方向(和恒定的电压-我们将在后面描述) ，通过直流设备使用正负周期的交流波形可能会产生破坏性(和危险)的后果。因此，我们采用半波整流器将交流输入功率转换成直流输出功率。

　　但是二极管只是其中的一部分——一个完整的半波整流电路由三个主要部分组成:

　　变压器

　　电阻负载

　　二极管

　　我们现在将通过一个半波整流器如何将交流电压转换为直流输出的过程。

　　首先，一个高的交流电压被施加到降压变压器的初级一侧，我们将得到一个低电压在二次绕组将适用于二极管。

　　在正半周期的交流电压，二极管将正向偏置和电流流过二极管。在负半周期的交流电压，二极管将反向偏置和电流流动将被阻塞。次级侧(DC)的最终输出电压波形如上图3所示。

　　乍一看，这可能会让人感到困惑——所以让我们更深入地研究一下这个理论。

　　我们会专注于电路的第二面。如果我们用一个源电压取代二次变压器线圈，我们可以简化半波整流器的电路图如下:

　　现在我们没有变压器部分的电路分散我们的注意力。

　　对于交流电源电压的正半周期，等效电路有效地成为:

　　这是因为二极管是正向偏置的，因此允许电流通过。所以我们有一个闭合电路。

　　但是对于交流电源电压的负半周期，等效电路变成:

　　因为二极管现在处于反向偏置模式，所以没有电流能够通过它。因此，我们现在有一个开放的电路。由于在此期间电流不能流过负载，所以输出电压等于零。

　　这一切都发生得很快-因为交流电波形将振荡之间的积极和消极很多次每秒钟(取决于频率)。

　　下面是输入端(Vin)的半波整流器波形，以及整流后输出端(Vout)的半波整流器波形(即从 AC 到 DC 的转换) :

　　这是一个半波整流器，只允许正半周期通过二极管，并阻塞负半周期。

　　相反，负半波整流器只允许负半周期通过二极管，并将阻塞正半周期。正半波整流器和负半波整流器的唯一区别是二极管的方向。

　　正如你在下面的图5中看到的，二极管现在在相反的方向上。因此，现在只有当交流波形处于负半周期时，二极管才会有正向偏置。

　　半波整流电容滤波器

　　由上述理论得到的输出波形为脉动直流波形。这是什么是获得时，使用一个半波整流器没有过滤器。

　　滤波器是用来将(平滑)脉动直流波形转换为恒定直流波形的组件。他们通过抑制波形中的直流波纹来达到这个目的。

　　虽然半波整流器无滤波器在理论上是可行的，但它们不能用于任何实际应用。由于直流设备需要一个恒定的波形，我们需要“平滑”这种脉动波形，使其在现实世界中有任何用途。

　　这就是为什么实际上我们使用带滤波器的半波整流器。电容器或电感可用作滤波器，但最常用的是带电容滤波器的半波整流器。

　　半波整流器公式

　　现在我们将根据前面的理论和图形推导出半波整流器的各种计算公式。

　　半波整流器的纹波系数

　　“纹波”是在将交流电压波形转换为直流波形时剩余的不需要的交流分量。即使我们尽力去除所有的交流元件，仍然有一些少量的输出端脉动的直流波形。这种不受欢迎的交流分量被称为“涟漪”。

　　为了量化半波整流器在多大程度上可以将交流电压转换为直流电压，我们使用纹波因子(表示为 γ 或 r)。纹波因子是指整流器的交流电压(输入端)与直流电压(输出端)的有效值之比。

　　也可以重新排列为:

　　半波整流器的纹波系数为1.21(γ = 1.21)。

　　注意，对于我们构建一个好的整流器，我们要保持纹波系数尽可能低。这就是为什么我们使用电容器和电感器作为滤波器，以减少电路中的涟漪。

　　半波整流器的效率

　　整流效率(η)是输出直流功率与输入交流功率之比。效率的公式等于:

　　半波整流器的效率等于40.6% (η max = 40.6%)

　　半波整流器的有效值

　　为了推导出半波整流器的有效值，需要计算负载电流。如果瞬时负荷电流等于 iL = Imsinωt，则负荷电流(IDC)的平均值等于

　　其中 IM 等于负载的峰值瞬时电流(Imax)。因此，通过负载获得的输出直流电流(IDC)是:

　　对于半波整流器，有效值负载电流(Irms)等于平均电流(IDC)乘以 π/2。因此，半波整流器的负载电流(Irms)的有效值是

　　其中 IM = Imax，等于负载的峰值瞬时电流。

　　半波整流器的峰值反电压

　　峰值反向电压(PIV)是二极管在反向偏置条件下所能承受的最大电压。如果施加的电压大于 PIV，二极管将被破坏。

　　半波整流器的应用

　　虽然半波整流器并不像全波整流器那样常用，但它们仍有一些用途:

　　半波整流器的优点

　　半波整流器的主要优点是简单。因为它们不需要那么多组件，所以安装和构造它们更简单、成本更低。

　　因此，半波整流器的主要优点是:

　　简单(组件数量较少)

　　更便宜的前期成本(因为他们的设备较少。虽然随着时间的推移，由于电力损耗的增加，成本会更高)

　　半波整流器的缺点

　　半波整流器的缺点是:

　　每个正弦波只允许一个半周期通过，而另一个半周期被浪费了，这就导致了能量损失。

　　它们产生低输出电压。

　　我们得到的输出电流不是纯直流的，它仍然包含大量的纹波(即它有一个高纹波因子)

　　** 三相半波整流器**

　　上述理论都是针对单相半波整流器的。三相半波整流器虽然原理相同，但特点不同。波形、纹波因子、效率和有效值是不一样的。

　　三相半波整流器用于将三相交流电源转换为直流电源。这里的开关是二极管，因此它们是不受控制的开关。也就是说，没有办法控制这些开关的开关时间。

　　三相半波整流器一般采用三相电源连接三相变压器构成，变压器的二次绕组始终通过星形连接。这是因为中性点需要将负载连接回变压器次级绕组，为电力流提供回路。

　　提供纯电阻负载的三相半波整流器的典型结构如下所示。在这里，变压器的每个阶段被认为是一个单独的交流电源。电压的模拟和测量如下面的电路所示。在这里，我们已经连接了一个单独的电压表跨越每个电源以及跨越负载。

　　所以我们可以从上图中看到，当 R 相的电压值高于其他两个相的电压值时，二极管 D1进行传导，这种情况开始于 R 相在30度时，并在每个完整周期后重复。也就是说，下一次二极管 DI 开始导通是在390度。二极管 D2从 D1接管传导，D1在150度角停止传导，因为此时 B 相的电压值比其他两相的电压值高。因此，每个二极管的导电角度为150o-30o = 120o。

　　在这里，由此产生的直流电压信号的波形不是纯粹的直流，因为它不是平坦的，而是它包含一个纹波。纹波频率为3 × 50 = 150Hz。

　　上述公式表明，电压纹波是显着的。这是不可取的，因为这导致不必要的功率损失。

　　虽然三相半波整流器的效率似乎很高，但仍然低于三相全波二极管整流器的效率。虽然三相半波整流器比较便宜，但是相对于高功率损耗所造成的经济损失来说，这种成本节约是微不足道的。因此，三相半波整流器在工业上并不常用。

　　半波整流器如何测量好坏

　　一、使用万用表测试

　　1. 用万用表中的电阻档将半波整流器两端相连，查看电阻值是否稳定，连通是否正常。如果电阻值变化很大或无法测量到电阻，则说明半波整流器可能存在故障。

　　2. 用万用表中的电压档将半波整流器两端相连，可以测量到正常输出的电压值，一般为输入电压的一半左右。如果输出电压过大或者无法测量到输出电压，则说明半波整流器可能存在故障。

　　二、使用示波器测试

　　1. 连接示波器的探头，将其正极接到半波整流器的输出端，负极接地，开启示波器。正常情况下，示波器应该显示出半波整流器的输出信号，其幅值保持稳定且频率应该是输入信号的二倍。

　　2. 可以使用示波器观察半波整流器的输出波形，正常的半波整流器输出应该是一个正半周的脉冲信号，频率是输入电压的二倍。

　　三、注意事项

　　1. 在测试半波整流器之前，应该确保测试工具的正确性和可用性，比如保证万用表的电量充足，示波器的探头连接正确等。

　　2. 测试时应该注意安全问题，避免触电等危险情况的发生。

　　3. 如果半波整流器存在故障，应该及时进行修理或更换，以免影响正常使用。

　　半波整流器的作用

　　1、将交流发电机产生的交流电变为直流电，以实现向用电设备供电和向蓄电池充电;

　　2、限制蓄电池电流倒流回发电机，保护发电机不被逆电流烧坏。

　　在采用交流发电机的电源系统中，整流器是该系统的重要组成部分。整流器实际上是一个硅二极管或由几个硅二极管组成，它的外形、结构和符号如图2-14所示。硅二极管则由一个PN结加上电极引线和外壳所构成，它的两个电极，正极接P型区，负极接N型区。

　　一、整流器的作用整流器用在交流发电机电源系统中，其作用。

　　一是将交流发电机产生的交流电变为直流电，以实现向用电设备供电和向蓄电池充电;

　　二是限制蓄电池电流倒流回发电机，保护发电机不被逆电流烧坏。硅二极管具有单向导电的特性，即在硅二极管两端加上一定的电压(电源正极接二极管正极，电源负极接二极管的负极)时，二极管就导通，有电流流过，反之，二极管不导通，无电流通过。

　　这样，电流只能从一个方向通过。人们利用二极管的这个特性，制成整流器。当给整流器加上交流电压时，只允许交流电的正半周通过，而负半周不通过，因此在整流器的负端便输出脉动直流电。

　　二、整流器的种类及结构。

　　单相半波整流器它由磁电机、整流器、用电设备和蓄电池组成。当永久磁铁旋转时，产生旋转磁场，定子绕组切割磁力线后便产生交流电压，由一个硅二极管完成半波整流，整流后的直流(脉动)电供给用电设备和向蓄电池充电。铃木A100、AX100、TR125及雅马哈DX100等型号的摩托车均采用这种电路。这是最简单的整流电路。

　　半波整流电路的特点

　　半波整流电路具有简单、低成本和高效率等特点。但是，由于仅能使用正半周信号，因此输出信号可能会对某些应用产生影响，如造成LED发出的光线闪烁。

　　电源设计：全波整流器和半波整流器

　　在由电源电压供电的电子电路中，输入交流电压必须转换为具有足够稳定度的直流电压。整流交流电压的最简单方法是使用常规半导体二极管，这是一种无源非线性电子元件，其特性是允许电流在一个方向上流动而在另一个方向上流动。图1显示了半波整流器电路的原理图，而图2显示了使用中心抽头变压器的全波整流器。电阻RL模拟输出负载的存在，而VM表示变压器每个次级绕组上的最大电压。

　　在刚刚显示的两种配置中，负载上的峰值电压大约等于变压器次级绕组提供的峰值电压。特别是在半波整流器的情况下，VCCDC输出电压由以下公式给出，其中VMAX表示交流输入电压的峰值：

　　另一方面，对于全波整流器，VCC电压由以下公式给出，其中VMAX现在代表两个变压器的次级绕组中每个绕组的峰值：

　　降低纹波

　　对于大多数应用，上述电路产生的输出电压的纹波过高。相反，对于非常简单的应用(例如为灯供电或控制小型电动机)，这是可以接受的。通过在整流二极管之后增加一个滤波电容器，输出电压波形将显着改善，从而大幅降低纹波。图3中的电路使用一个中心抽头变压器和两个整流二极管，而图4中的电路使用一个常规变压器，在常规电桥配置中，该变压器只有一个次级绕组和四个整流二极管。两种原理图通常用于从交流电源开始获得直流电压。

　　输出波形

　　图5显示了在图1的半波整流器电路中增加一个滤波电容器所产生的效果：正如我们所看到的，输出电压更加规则，并具有平滑的趋势。在b–c节中，具有线性趋势，是由滤波电容器提供充电电流。随着电流的增加，该部分的斜率变得越来越陡，从而确定了正半波上c点的位置。点c越低，二极管的导通时间就越长(对应于c–d的周期)，因此输出电压的纹波也就越大。在与c节相关的期间–d，电容器已充电。如果连接的负载需要高电流，则电容器将很快放电，从而增加纹波。因此，对于要求高功率电平的电路，基于全波整流器的解决方案是优选的。

　　如果负载吸收的电流为零，则直流输出电压等于整流交流电压的峰值。

　　全波整流器中的最大电压纹波不仅取决于滤波电容器的容量，还取决于纹波频率和负载电流：

　　其中，ILOAD(A)是负载吸收的直流电流，f(Hz)是纹波频率，C(farad)是滤波电容器的容量。