二极管电桥

✍ dations ◷ 2024-12-23 14:07:14 #电路,电桥电路,整流器

二极管电桥(diode bridge)是用四个或四个以上的二极管组成的电桥电路组态,不论输入电压的电极性(英语:Electrical polarity)是正是负,输出都可以维持相同的极性。

二极管电桥最常见的用途是将交流电(AC)转换为直流电(DC),也称为桥式整流器。桥式整流器配合二线交流输入电压,可以进行全波整流,其他的整流方式可以利用其二次绕组有中心抽头(英语:Center tap)的变压器,再将输出接到三端子输入的整流器,但桥式整流器在成本及重量上都有优势。

二极管电桥的基本特点就是输出电压的极性不会随输入电压而变化。二极管电桥是由波兰电气工程师Karol Pollak(英语:Karol Pollak)发明,在1895年12月在英国申请专利,1896年1月在德国申请专利。德国物理学家Leo Graetz(英语:Leo Graetz)在1897年独立的发明类似的电路,也有发表。有些文献仍把此电路称为Graetz电路或是Graetz电桥。

在集成电路普及之前,会用四颗二极管组装二极管电桥。自1950年开始由四个二极管组成电桥,放在同一封装内的电子零件开始变成标准商品化的产品,目前已有不同的电压及电流额定。

除了二极管电桥外,在倍压器中,二极管也会和电容器配置成电桥组态。

若以常规电流方向为准,二极管的基本特性是只允许电流的单向流动,此称为二极管的“正向”。二极管电桥中,二极管的接线方式会允许在电源交流周期的正半周,让电流经由一个二极管正向导通到负载,负载的电流再经由另一个二极管正向导通到电源的负端,在电源交流周期的负半周,电流会经由另外二极管正向导通,因此都可以形成回路。

在下图中,连到菱形左边的输入为正,连到菱形右边的输入为负,电流从上方的端子沿着红色(正)路径往右流到输出,返回时沿着蓝色(负)路径回到下方的电源端子。

Diode bridge alt 1.svg

若连到菱形左边的输入为负,连到菱形右边的输入为正,电流从下方的端子沿着红色(正)路径往右流到输出,返回时沿着蓝色(负)路径回到下方的电源端子。

Diode bridge alt 2.svg

上述二个例子中,上方的输出端子始终为正,下方的输出端子始终为负。不论输入电源是交流或是直流,不会影响二极管电桥的特性。因此二极管电桥不但可以将交流电压转换为直流电压,也可以做“反极性保护”的功能。例如用电池供电的设备,或是接直流电的设备,若电源是先经过二极管电桥再提供给设备,即使电池不小心装反,或是直流电配线配反,也可以正常工作,不会损害设备。

类似二极管电桥功能的整流器,有中心抽头变压器及双二极管的整流器,以及用二个二极管及二个电容排成电桥的倍压整流器。

若配合交流电源输入,二极管电桥的输出电压(此情形下为全波整流器)是有极形的脉动正弦曲线,振幅和原来输入相同,但频率是原来的两倍。输出电压可以视为是直流电压上叠加了很大的纹波电压。这样的电源使用起来会有不少问题,因为纹波电压会以废热的形式耗散在直流电路元件中,而此在电路运作中,可能会产生噪声或是信号扭曲。因此几乎所有的整流器后面都会接带通滤波器或带阻滤波器,也可以用稳压器来将有纹波的电压转换为较平滑(而且可能比较大)的电压。滤波器可能很简单,例如一个够大的电容器或是扼流圈,不过大部分电源供应器的滤波器都有许多交流的串联或是分流元件。当纹波电压上升时,无效交流电功率可以储存在滤波器元件中,减小实际输出的电压。当纹波电压下降时,无效交流电功率会从滤波器元件中释放出来,使输出电压增加。整流器的最后一段可能会包括以齐纳二极管为基础的稳压器,因此几乎可以完全消除纹波。

电桥电路可以扩展到在多相交流系统中进行整流。例如三相交流输入的电源,半波整流需要三个二极管,而全波整流需要六个二极管。

半波整流器可以视为是三相电路的Y接,因为电流会从中性线返回,而全波整流器比较像是为是三相电路的Δ接,不过因为没有用到中性线,因此不论三相电源是Y接还是Δ接,都可以用全波整流器。

电源供应器中的变压器会有漏电感以及杂散电容。当二极管电桥中的二极管关闭时,非理想元件会形成谐振电路,会有高频的振荡。而且高频振荡可能会耦合到电路的其他部分。Snubber电路(英语:Snubber)就是用来避免这类的问题。Snubber电路和二极管并联可能会有一个很小的电容,或是由电阻和电容串联组成。

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