從交流電轉(zhuǎn)直流電出發(fā)調(diào)研二極管的使用

交流電和直流電是人們?nèi)粘Ｉ钪须娏κ褂玫膬煞N基本方式，然而交流電和直流電各有千秋，各自具有對方不可替代的優(yōu)勢，因此很多時候我們對交流電如何轉(zhuǎn)換成直流電或是直流電如何轉(zhuǎn)換成交流電倍感興趣。通過查閱資料，了解到交流電轉(zhuǎn)直流電是以整流電路作為重要模塊實現(xiàn)的，而整流電路的重要組成元件是——二極管。

對此，本文以交流電如何轉(zhuǎn)換成直流電為思想來源，以二極管為所調(diào)研的電子元件，著手于調(diào)研二極管在整流電路中起到的作用，以此深入了解整流電路的原理、理想電路模型與實際電路元器件與模塊之間的聯(lián)系與區(qū)別。借此加強(qiáng)對電路理論的以及Multisim仿真工具的深度學(xué)習(xí)。

1. 引言

眾所周知，交流電和直流電是人們在日產(chǎn)生活中兩種基本的用電方式。然而交流電與直流電憑借著自身的優(yōu)勢，各有千秋，應(yīng)用于不同的場景。如照明、動力用電大部分屬于交流電，而電腦與手機(jī)等又大多采用直流電。因此很多時候我們需要針對交流電與直流電的優(yōu)缺點(diǎn)，將他們相互轉(zhuǎn)化來達(dá)到用戶對電力特性的需求。

為此，本文從交流電如何轉(zhuǎn)化為直流電的角度進(jìn)行分析調(diào)研，從中了解到了一種名叫整流電路的模塊在交流電轉(zhuǎn)直流電電路中起到的至關(guān)重要的作用。隨后調(diào)研了以此為出發(fā)點(diǎn)，逐步了解到整流電路是利用電子元件二極管的特性所制造。結(jié)合Multisim仿真工具，在此過程中加深了理想電路模型與實際電路元器件與模塊之間的聯(lián)系與區(qū)別。

本文的調(diào)研思路為：從二極管的基本特性開始——整流電路是如何利用二極管的特性組成——整流電路如何使用于交流電轉(zhuǎn)直流電電路——深入拓展之穩(wěn)壓二極管與直流穩(wěn)壓電源。

2. 二極管的基本特性

A． 二極管的基本構(gòu)成與伏安特性曲線

二極管是用半導(dǎo)體材料（硅、硒、鍺等）制成的一種電子元件。它具有單向?qū)щ娦阅?，即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導(dǎo)通。當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。因此，二極管的導(dǎo)通和截止，則相當(dāng)于開關(guān)的接通與斷開。

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二極管的伏安特性

B．二極管的等效電路

由圖可知，二極管的伏安特性具有非線性，這給二極管應(yīng)用電路的分析帶來一定的困難。為了便于分析，常在一定的條件下，用線性元件所構(gòu)成的電路來近似模擬二極管的特性，并用之取代電路中的二極管。能夠模擬二極管特性的電路稱為二極管的等效電路，也稱為二極管的等效模型。而根據(jù)二極管的伏安特性又可以構(gòu)造多種等效電路。

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多種等效電路

3. 整流電路是如何利用二極管的特性組成

在分析整流電路時，為了突出重點(diǎn)，簡化分析過程，一般均假定負(fù)載為純電阻性；整流二極管具有（2. 二極管的基本特性）節(jié)中圖1.2.4（a）中實線所示理想的伏安特性，即導(dǎo)通時正向壓降為0，截止時反向電流為0。并且為了仿真電路與分析的方便，直接使用一合理的交流電源作為輸入電源研究波形而沒有經(jīng)過變壓器變壓處理。

A．交流電

交流電（簡稱AC）是指電流方向隨時間作周期性變化的電流，其波形如圖所示為一正弦曲線。

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交流電波形

B．單相半波整流電路

由（2. 二極管的基本特性）節(jié)中可知，在給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導(dǎo)通。當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。那么只要在仿真電路中串聯(lián)一個理想二極管D1，負(fù)載電阻R1的電壓和電流都具有單一方向脈動的特性。這就是最簡單的整流電路——單相半波整流電路。

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單相半波整流電路

C．單相橋式整流電路

為了克服單相半波整流電路的缺點(diǎn)，在實用電路中多采用單相全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。

單相橋式整流電路是由四只二極管所組成，其構(gòu)成原則就是保證電壓V1的整個周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流方向始終保持不變。

為了達(dá)到這一目的，就要在V1的正、負(fù)半周內(nèi)正確引導(dǎo)流向負(fù)載的電流。單相橋式整流電路模型如下圖所示：

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單相橋式整流電路

將單相橋式整流電路（1G4B42）接入電路，得到如下圖所示波形：

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接入電路波形

4. 整流電路如何使用于交流電轉(zhuǎn)直流電電路

A．直流電

以上所得到的直流電稱為脈動直流電，其電流大小會隨時間變化，但是方向一直保持不變。區(qū)別于高中所學(xué)的恒定直流電——電流大小和方向都不發(fā)生改變，如恒壓電壓源、橫流電壓源。但在實際應(yīng)用過程中常常是以脈動直流電的形式存在，如常用干電池在使用過程中路端電壓會逐漸減少，但方向保持不變。

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B．整流+濾波+穩(wěn)壓

整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是含有較大的交流成分，不能適應(yīng)大多電子電路及設(shè)備的需要。因此，一般在整流后，還需加上濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸?/p>

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在這之后，雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于輸入電壓有效值，所以當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動時，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載變化時，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產(chǎn)生相反的變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。

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在電路中并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管（1N4884）后，完成了整流電路+濾波電路+穩(wěn)壓電路的連接，成功由交流電得到了所希望看到的穩(wěn)定性較好的平滑的直流電。

5. 深入拓展之穩(wěn)壓二極管與直流穩(wěn)壓電源

A．穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管，簡稱穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管在反向擊穿時，在一定電流范圍內(nèi)（或者說在一定的功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性。因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。

B．直流穩(wěn)壓電源

直流電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓（即市電），一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電壓進(jìn)行處理。變壓器二次電壓有效值決定于后面電路的需要。目前，也有部分電路不用變壓器,利用其它方法升壓或降壓。

變壓器二次電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓，半波整流電路和全波整流電路的輸出波形如圖中所畫：

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可以看出,它們均含有較大的交流分量,會影響負(fù)載電路的正常工作;例如,交流分量將混入輸人信號被放大電路放大,甚至在放大電路的輸出端所混入的電源交流分量大于有用信號;因而不能直接作為電子電路的供電電源。應(yīng)當(dāng)指出，圖中整流電路輸出端所畫波形是未接濾波電路時的波形,接人濾波電路后波形將有所變化。

為了減小電壓的脈動,需通過低通濾波電路濾波,使輸出電壓平滑。理想情況下,應(yīng)將交流分量全部濾掉,使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而,由于濾波電路為無源電路,所以接人負(fù)載后勢必影響其濾波效果。對于穩(wěn)定性要求不高的電子電路,整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。

交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓,但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或者負(fù)載變化時,其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載電阻變化的影響,從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。這便是直流穩(wěn)壓電源的基本原理。

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直流穩(wěn)壓電源的方框圖

從以上的直流穩(wěn)壓電源的方框圖不難看出，其原理正是之前所討論的整流電路+濾波電路+穩(wěn)壓電路。核心期間便是電子元件——二極管。所不同的地方在于生活中的市電是220V，使用時需要先對其降壓。

6. 總結(jié)

復(fù)雜的直流穩(wěn)壓電源核心器件無非是小小的一個二極管。我們生活中所常見的那些電子產(chǎn)品、家用電器等，其體積龐大，功能復(fù)雜，然而其功能的實現(xiàn)無非也是一個個類似于二極管這樣的微不足道的小電子元件所構(gòu)成。小元件有大妙用，用一個個電子元件構(gòu)成龐大的電路模型再到神奇的電子產(chǎn)品，這一個過程像極了一個國家的誕生。

或許每一個電路模型都可以看作是一個獨(dú)立的電路王國，而每一個電子元件便是電路王國里的每一個子民。如何將這些充滿奇跡的電子元件用對、用神，便需要對每一個電子元件深度解析，從他們的制造出發(fā)，以他們各自的特性為基準(zhǔn)。多方面考慮、規(guī)劃，這樣的電路才是充滿奇跡、富有生機(jī)的。

審核編輯：劉清