單相整流電路設(shè)計(jì)及Multisim仿真

代忠紅，孫曉丹，潘小波，曹永鳳

（馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 技師學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

0 引 言

我國(guó)電網(wǎng)所提供的是電壓為220 V，頻率為50 Hz的交流電，而生活中很多電子產(chǎn)品及設(shè)備都需要電壓較低的直流電供電，如常用的手機(jī)、電腦以及電視機(jī)等。因此需要有能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定直流電的設(shè)備，即直流穩(wěn)壓電源。整流電路是直流穩(wěn)壓電源的核心部分，可以實(shí)現(xiàn)交變電流向單向脈動(dòng)電流的轉(zhuǎn)變。整流電路的核心元件是二極管，應(yīng)選擇整流性能較好的整流二極管[1]。整流二極管由鍺或硅等半導(dǎo)體材料經(jīng)過特殊的工藝制作而成，由于硅材料的整流二極管擊穿電壓較高，反向漏電流較小，高溫性能較好，因此大功率的整流二極管一般都用高純單晶硅制成。這種器件的結(jié)面積較大，能通過較大電流（可達(dá)上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。

整流二極管主要應(yīng)用在各種低頻整流電路，電網(wǎng)供電頻率為50 Hz。經(jīng)綜合分析，本文利用二極管的單向?qū)щ娦苑謩e設(shè)計(jì)單相半波整流電路和單相橋式全波整流電路，選用整流性能較好的硅整流二極管，并利用Multisim軟件仿真輸出電壓波形。

1 單相半波整流電路設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

交流電與直流電最本質(zhì)的區(qū)別是電的方向是否發(fā)生改變。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)供電是有效值為220 V，頻率為50 Hz的正弦波交流電，電的大小和方向做周期性的改變。如果能有合適的元器件可以將交流電的方向由變化的轉(zhuǎn)變成不變的，這樣就可以得到直流電。二極管正好可以實(shí)現(xiàn)這樣的功能，其具有單向?qū)щ姷奶匦?，即二極管的正極接高電位點(diǎn)，負(fù)極接低電位點(diǎn)時(shí)導(dǎo)通，反之截止。如此，可以將方向改變的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉较虿蛔兊闹绷麟奫2]。除此之外，生活中電子設(shè)備所需要的直流電大都為幾十伏或者幾伏，所以考慮使用降壓元件來降壓。

本設(shè)計(jì)采用性能較好的硅二極管作為整流元件，其伏安特性曲線如圖1所示。

圖1 硅二極管的伏安特性曲線

正向特性是指外加二極管的陽(yáng)極電壓大于陰極電壓。其中死區(qū)是指0A段，當(dāng)正向電壓較小時(shí)，正向電流非常小，此時(shí)二極管呈現(xiàn)出極大的電阻，通常將這個(gè)范圍稱為死區(qū)。硅的死區(qū)電壓約為0.5 V。正向?qū)ㄊ侵窤C段，當(dāng)外加電壓大于死區(qū)電壓后，電流隨電壓增大而急劇增大，二極管導(dǎo)通。導(dǎo)通以后二極管兩端電壓維持在0.7 V左右，由此得出正偏時(shí)二極管電阻很小，具有非線性。反向特性是指二極管陰極電壓大于陽(yáng)極電壓（0D段）。反向飽和電流是指當(dāng)加反向電壓時(shí)，二極管反向電流很小，而且在很大范圍內(nèi)不隨反向電壓的變化而變化，故稱為反向飽和電流。反向擊穿是指DE段。若反向電壓不斷增大到某一數(shù)值時(shí)反向電流便會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。反偏電阻越大，越可能存在電擊穿現(xiàn)象。普通二極管不允許出現(xiàn)此種狀態(tài)，所以在后面電路設(shè)計(jì)中關(guān)于元件參數(shù)的選擇要考慮二極管的最高反向工作電壓[4]。為便于分析，在以下的整流電路分析中，設(shè)二極管為理想二極管，負(fù)載為純電阻。

1.2 電路組成

單相半波整流電路如圖2所示，主要由電源變壓器T、整流二極管VD以及負(fù)載RL組成。

該電路的輸入輸出波形圖如圖3所示。其中圖3（a）為經(jīng)電源變壓器降壓后電壓波形，其峰值為[5]。圖3（b）為負(fù)載兩端電壓波形，即整流輸出電壓波形。圖3（c）為輸出電流波形，即流過負(fù)載的電流。圖3（d）為整流二極管反向截止時(shí)其兩端的電壓。

1.3 工作原理

從圖3可以看出，當(dāng)輸入電壓處于交流電壓的正半周時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，輸出電壓uO=u2，uD=0。當(dāng)輸人電壓處于交流電壓的負(fù)半周時(shí)，二極管因反偏截止，輸出電壓uO=0，uD=u2。從uO的波形圖可知，輸出電壓uO已是單向脈動(dòng)的直流電壓。其中，uO為整流輸出電壓，uD為整流二極管VD兩端電壓。

1.4 參數(shù)計(jì)算

設(shè)電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器降壓后二次側(cè)輸出電壓為：

輸出電壓平均值即輸出電壓的直流分量為：

輸出電流平均值即輸出電流的直流分量為：

整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S定義為整流輸出電壓的基波峰值與輸出電壓平均值之比，脈動(dòng)系數(shù)越大，說明整流輸出電壓中交流分量越大[6]。

將整流輸出uO作傅立葉分解可得基波角頻率為ω，基波峰值Uolm=U2/RL，半波整流輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)為：

由于二極管的正向平均電流等于輸出電流平均值，從uD的波形可知，二極管承受的最大反向電壓為，再考慮到電網(wǎng)電壓通常有±10%的波動(dòng)，因而二極管的最大整流平均電流IF和最高反向工作電壓UR選擇為：

單相半波整流電路簡(jiǎn)單，只需一個(gè)二極管。由于只利用了交流電源的半個(gè)周期，因而效率低，輸出直流分量小，交流分量大，適合于要求不高的場(chǎng)合[7]。

1.5 單相半波整流電路Multisim仿真

仿真電路模型如圖4所示。該仿真電路元件及參數(shù)選擇如下，選擇變壓器T的變比為10∶1，電源電壓u1是有效值為220 V，頻率為50 Hz的交流電，整流二極管VD型號(hào)選擇1N4007，負(fù)載RL默認(rèn)為1 kΩ。

圖4 單相半波整流仿真電路模型

仿真結(jié)果如圖5所示，其中波形A為輸入電壓波形，即變壓器二次側(cè)電壓波形。波形B為整流輸出電壓波形。從該仿真波形可以看出半波整流輸出是半波脈動(dòng)的直流電。

圖5 單相半波整流電路的仿真波形圖

2 單相橋式全波整流電路

2.1 設(shè)計(jì)思路

利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢詫⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，通過以上半波整流電路可得到輸出為半波的脈動(dòng)直流電。由于半波整流效率不高，因此如果能將交流電負(fù)半周期的電壓也轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，則可以大大提高整流效率。

2.2 電路組成

單相橋式全波整流電路如圖6所示，主要由電源變壓器T、整流二極管D1、D2、D3、D4及負(fù)載RL組成。4個(gè)整流二極管構(gòu)成一個(gè)整流橋。在實(shí)際中，有現(xiàn)成的集成整流橋可供選用[8]。

圖6 單相橋式全波整流電路

電路輸入輸出波形圖如圖7所示。u2為經(jīng)電源變壓器降壓后的電壓，其峰值為；uo為負(fù)載兩端電壓，即整流輸出電壓；iD為輸出電流，即流過負(fù)載的電流；uD為整流二極管反向截止時(shí)其兩端的電壓。其中虛線部分波形表示二極管D2和D4反向截止時(shí)其兩端的電壓，實(shí)線部分波形表示二極管D1和D3反向截止時(shí)其兩端的電壓。

圖7 橋式整流電路各部分波形圖

2.3 工作原理

從圖6可以看出，當(dāng)輸入電壓處于交流的正半周時(shí)，即A點(diǎn)為高電位點(diǎn)B點(diǎn)為低電位點(diǎn)，此時(shí)二極管D1和D3因正偏而導(dǎo)通，輸出電壓uO=u2。當(dāng)變壓器副繞組交流電壓u2為正弦波時(shí)，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦裕趗2的正半周，二極管D1和D3正偏導(dǎo)通，D2和D4反偏截止，輸出電壓uO=u2。在u2的負(fù)半周，二極D2和D4正偏導(dǎo)通，D1和D3反偏截止，輸出電壓uO=-u2。從uO的波形可知，它已是全波脈動(dòng)的直流電[9]。

2.4 參數(shù)計(jì)算

輸出電流平均值也即輸出電流直流分量為：

在單相橋式全波整流電路中，D1、D3與D2、D4輪換導(dǎo)通，每個(gè)二極管只導(dǎo)通半個(gè)周期，其正向平均電流等于輸出電流平均值的一半。從二極管兩端電壓uD的波形可知，二極管承受的最大反向電壓為[10]。再考慮到電網(wǎng)電壓通常有±10%的波動(dòng)，因而二極管的最大整流平均電流IF和最高反向工作電壓UR應(yīng)選擇為：

2.5 單相橋式全波整流電路Multisim仿真

仿真電路模型如圖8所示。該仿真電路元件及參數(shù)選擇如下，選擇變壓器T的變比為10∶1，電源電壓u1是有效值為220 V頻率為50 Hz的交流電，4個(gè)整流二極管型號(hào)選擇為1B4B42，負(fù)載RL默認(rèn)值為1 kΩ。

圖8 橋式整流電路仿真電路模型

從圖9仿真結(jié)果可知，其中波形A為輸入電壓波形，即變壓器二次側(cè)電壓波形，波形B為整流輸出電壓波形。從該仿真波形可以看出橋式整流輸出是全波脈動(dòng)的直流電[11]。

圖9 單相橋式整流電路仿真波形

3 結(jié) 論

整流電路是直流穩(wěn)壓電源的核心部分。本文分別設(shè)計(jì)了單相半波和橋式全波整流電路，并通過Multisim軟件仿真直觀地反映了單相半波及橋式整流輸出波形。單相半波整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅利用交流電的半個(gè)周期，電源利用率較低，輸出電壓波動(dòng)較大，只適用要求不高的場(chǎng)合。而單相橋式全波整流電路可利用交流電源的整個(gè)周期，電源利用率高，輸出平均電壓高，輸出電壓脈動(dòng)成分小，應(yīng)用非常廣泛。