單相整流電路設計及Multisim仿真

代忠紅，孫曉丹，潘小波，曹永鳳

（馬鞍山職業技術學院 技師學院，安徽 馬鞍山 243000）

0 引 言

我國電網所提供的是電壓為220 V，頻率為50 Hz的交流電，而生活中很多電子產品及設備都需要電壓較低的直流電供電，如常用的手機、電腦以及電視機等。因此需要有能夠將交流電轉變為穩定直流電的設備，即直流穩壓電源。整流電路是直流穩壓電源的核心部分，可以實現交變電流向單向脈動電流的轉變。整流電路的核心元件是二極管，應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體材料經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。這種器件的結面積較大，能通過較大電流（可達上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。

整流二極管主要應用在各種低頻整流電路，電網供電頻率為50 Hz。經綜合分析，本文利用二極管的單向導電性分別設計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計

1.1 設計思路

交流電與直流電最本質的區別是電的方向是否發生改變。我國國家電網供電是有效值為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變成不變的，這樣就可以得到直流電。二極管正好可以實現這樣的功能，其具有單向導電的特性，即二極管的正極接高電位點，負極接低電位點時導通，反之截止。如此，可以將方向改變的交流電轉變為方向不變的直流電[2]。除此之外，生活中電子設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。

本設計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極電壓大于陰極電壓。其中死區是指0A段，當正向電壓較小時，正向電流非常小，此時二極管呈現出極大的電阻，通常將這個范圍稱為死區。硅的死區電壓約為0.5 V。正向導通是指AC段，當外加電壓大于死區電壓后，電流隨電壓增大而急劇增大，二極管導通。導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極電壓（0D段）。反向飽和電流是指當加反向電壓時，二極管反向電流很小，而且在很大范圍內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值時反向電流便會急劇增大，這種現象稱為反向擊穿。反偏電阻越大，越可能存在電擊穿現象。普通二極管不允許出現此種狀態，所以在后面電路設計中關于元件參數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，設二極管為理想二極管，負載為純電阻。

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）為經電源變壓器降壓后電壓波形，其峰值為[5]。圖3（b）為負載兩端電壓波形，即整流輸出電壓波形。圖3（c）為輸出電流波形，即流過負載的電流。圖3（d）為整流二極管反向截止時其兩端的電壓。

1.3 工作原理

從圖3可以看出，當輸入電壓處于交流電壓的正半周時，二極管正偏導通，輸出電壓uO=u2，uD=0。當輸人電壓處于交流電壓的負半周時，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 參數計算

設電網電壓經變壓器降壓后二次側輸出電壓為：

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系數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，脈動系數越大，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系數為：

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，再考慮到電網電壓通常有±10%的波動，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單，只需一個二極管。由于只利用了交流電源的半個周期，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型號選擇1N4007，負載RL默認為1 kΩ。

圖4 單相半波整流仿真電路模型

仿真結果如圖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 設計思路

利用二極管的單向導電性可以將交流電轉換為直流電，通過以上半波整流電路可得到輸出為半波的脈動直流電。由于半波整流效率不高，因此如果能將交流電負半周期的電壓也轉變為直流電，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及負載RL組成。4個整流二極管構成一個整流橋。在實際中，有現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為經電源變壓器降壓后的電壓，其峰值為；uo為負載兩端電壓，即整流輸出電壓；iD為輸出電流，即流過負載的電流；uD為整流二極管反向截止時其兩端的電壓。其中虛線部分波形表示二極管D2和D4反向截止時其兩端的電壓，實線部分波形表示二極管D1和D3反向截止時其兩端的電壓。

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，當輸入電壓處于交流的正半周時，即A點為高電位點B點為低電位點，此時二極管D1和D3因正偏而導通，輸出電壓uO=u2。當變壓器副繞組交流電壓u2為正弦波時，根據二極管的單向導電性，在u2的正半周，二極管D1和D3正偏導通，D2和D4反偏截止，輸出電壓uO=u2。在u2的負半周，二極D2和D4正偏導通，D1和D3反偏截止，輸出電壓uO=-u2。從uO的波形可知，它已是全波脈動的直流電[9]。

2.4 參數計算

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輪換導通，每個二極管只導通半個周期，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]。再考慮到電網電壓通常有±10%的波動，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個整流二極管型號選擇為1B4B42，負載RL默認值為1 kΩ。

圖8 橋式整流電路仿真電路模型

從圖9仿真結果可知，其中波形A為輸入電壓波形，即變壓器二次側電壓波形，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的直流電[11]。

圖9 單相橋式整流電路仿真波形

3 結 論

整流電路是直流穩壓電源的核心部分。本文分別設計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構簡單，僅利用交流電的半個周期，電源利用率較低，輸出電壓波動較大，只適用要求不高的場合。而單相橋式全波整流電路可利用交流電源的整個周期，電源利用率高，輸出平均電壓高，輸出電壓脈動成分小，應用非常廣泛。