二极管桥式整流器是一种使用布置在桥式中的四个二极管将交流电转换为直流电的电路。它在正循环和负循环中工作，使其比半波类型更有效。本文详细介绍了其功能、输出电压、选择、效率、变压器用途、纹波控制和应用。
CC4.二极管电桥选择和额定值
二极管桥式整流器
二极管桥式整流器是一种将交流电 （AC） 转换为直流电 （DC） 的电路。它使用四个二极管，排列成称为电桥的特殊形状。此设置的目的是确保电流始终沿一个方向通过负载移动。
在交流电中，电流每秒改变方向多次。桥式整流器在此周期的正负部分工作。这使得它比半波整流器更有效，半波整流器仅在半个周期内工作。结果是电子设备可以使用的稳定直流。
2、二极管桥式整流器的主要作用
在交流输入的正半周期内，两个二极管导通并允许电流流过负载。当输入切换到负半周期时，其他两个二极管导通并引导电流沿同一方向通过负载。这种交变导通确保负载始终接收沿单一方向流动的电流，从而产生脉动直流输出。当在电路中添加电容器或滤波器时，脉动直流电被平滑，产生更稳定和连续的直流电压。
二极管桥输出电压
平均直流输出
平均直流输出电压，由公式表示
是整流后负载两端测得的平均电压。它表示脉动输出的有效直流电平，并有助于描述电路从交流输入产生多少可用直流电。
RMS 值
RMS（均方根）电压使用以下公式计算
RMS 是一种确定提供与交流波形相同功率的等效稳定电压的方法。它可以更真实地了解整流信号的加热效应或功率能力，因为它反映了信号随着时间的推移可以向负载提供多少能量。
带二极管压降的有效直流电
在实际电路中，真正的二极管并不完美，并且会引入压降。考虑到这些压降，有效直流输出可以表示为
电桥中的每条导通路径都涉及两个二极管，两者都会导致压降，从而降低实际直流输出。
• 对于硅二极管，Vf ≈ 0.7 V
• 对于肖特基二极管，Vf ≈ 0.3 V
与理想情况相比，这降低了实际直流输出。
二极管电桥选择和额定值
二极管选择的因素
• 正向额定电流 （If）：二极管的连续额定电流应超过最大直流负载电流。始终选择有 25-50% 的安全余量。
• 浪涌电流额定值 （Ifsm）：在启动时，尤其是在为大型滤波电容器充电时，二极管面临比稳定电流高数倍的浪涌。高 Ifsm 额定值可确保二极管在这些脉冲下不会失效。
• 峰值反向电压 （PIV）：每个二极管在反向偏置时必须承受最大交流峰值。一般规则是选择至少 RMS 输入交流电压的 2-3 倍的 PIVTAGE。
• 正向压降 （Vf）：较低的 Vf 意味着更少的功率损耗和发热。肖特基二极管的 Vf 非常低，但通常较低的 PIV 限制，而硅二极管是高压应用的标准配置。
桥式整流器常用二极管
| 二极管/模块 | 额定电流 | 峰值电压 |
|---|---|---|
| 1N4007 型号 | 1 安 | 1000 伏 |
| 1N5408 | 3 A | 1000 伏 |
| KBPC3510 | 35 安 | 1000 伏 |
| 肖特基 （1N5819） | 1 安 | 40 伏 |
二极管电桥效率和热管理
损失来源
在全波电桥中，电流一次流过两个二极管。硅二极管的每个压降通常为 0.6–0.7 V，肖特基型的每个压降通常为 0.2–0.4 V。可以计算出热量损失的总功率：
如果热量管理不当，结温会升高，从而加速二极管磨损并可能导致灾难性故障。
热管理策略
• 使用低 VF 器件：肖特基二极管显着降低导通损耗。快速恢复二极管更适合高频整流器。
• 散热方法：将二极管或桥接模块连接到散热器。选择带有内置热路径的金属外壳桥式整流器。在二极管焊盘周围提供足够的 PCB 铜浇注。
• 系统级冷却：为机柜内的气流和通风而设计。根据降额曲线监控工作温度。
二极管电桥和变压器利用
全绕组利用率
在中心抽头整流器中，每个半周期内只有一半的次级绕组导通，另一半未使用。相比之下，二极管电桥在两个半周期内使用整个次级绕组，确保变压器的充分利用率和更高的效率。
无需中心水龙头
桥式整流器的一个主要优点是它不需要中心抽头变压器。这简化了变压器的构造。减少铜的使用量和成本。使整流器更适合紧凑型电源。
变压器利用率 （TUF）
变压器利用率系数 （TUF） 衡量变压器额定值的使用效率：
| 整流器类型 | TUF价值 |
|---|---|
| 中心抽头全波 | 0.693 |
| 桥式整流器 | 0.812 |
二极管电桥纹波和平滑
瑞波币的性质
当交流电通过桥式整流器时，正负半端都被整流，从而产生连续输出。电压仍然会随着每个半周期而上升和下降，产生纹波而不是完全平坦的直流线。纹波频率是交流输入频率的两倍：
• 50 Hz 电源→ 100 Hz 纹波
• 60 Hz 电源→ 120 Hz 纹波
纹波因子比较
| 整流器类型 | 纹波因子 （γ） |
|---|---|
| 半波整流器 | 1.21 |
| 中心抽头全波 | 0.482 |
| 桥式整流器 | 0.482 |
使用过滤器进行平滑处理
| 过滤器类型 | 描述 | 功能 |
|---|---|---|
| 电容器滤波器 | 一个大型电解电容器连接在负载两端。 | 在电压峰值期间充电，在骤降期间放电，使整流波形平滑。 |
| RC 或 LC 滤波器 | RC 滤波器使用电阻电容器;LC 滤波器使用电感电容器。 | RC 添加了简单的平滑;LC 有效处理更高的电流，并具有更好的纹波降低。 |
| 监管机构 | 可以是线性或开关型。 | 提供稳定的直流输出，无论负载变化如何，都能保持恒定电压。 |
二极管电桥变体和应用
| 类型 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 标准二极管电桥 | 设计简单，价格低廉，应用广泛。 | 更高的正向电压损耗（硅二极管总计 \~1.4 V）。 |
| 肖特基桥 | 非常低的正向压降（每个二极管 \~0.3–0.5 V），开关速度快。 | 较低的反向电压额定值（≤ 100 V）。 |
| 同步桥接器（基于MOSFET） | 超高效率，传导损耗最小，适用于大电流设计。 | 需要更复杂的控制电路和更高的组件成本。 |
| SCR/受控电桥 | 允许输出电压的相位角控制，并支持大功率处理。 | 需要外部触发电路，并可能引入谐波失真。 |
二极管电桥问题、测试和故障排除
常见陷阱
• 二极管方向错误 - 导致变压器没有输出甚至直接短路。
• 电容器滤波器尺寸过小 - 导致高纹波和不稳定的直流输出。
• 过热二极管 - 当额定电流或散热不足时发生。
• PCB 布局不良 - 长走线和不足的铜面积会增加电阻和发热。
故障排除工具
• 万用表（二极管测试模式）：测量正向压降（硅为 ~0.6–0.7 V，肖特基为 ~0.3 V）并确认反向阻塞。
• 示波器：可视化负载处的纹波内容、峰值电压和波形失真。
• 红外温度计或热像仪：检测负载下二极管、电容器或走线的过度加热。
• LCR 仪表：测量滤波电容器值以检查是否随时间退化。
二极管电桥应用
电源
用于收音机、电视、放大器以及带有滤波电容器和稳压器的电器的交流至直流电源。
电池充电器
应用于车载充电器、逆变器、UPS和应急灯，为电池提供受控直流电。
LED驱动器
将 LED 灯泡、面板和路灯的交流电转换为直流电，减少电容器和驱动器的闪烁。
电机控制
为风扇、小型电机、暖通空调、工业控制器提供直流电，确保平稳运行。
结论
二极管桥式整流器是将交流电转换为直流电的可靠方法。通过使用完整的交流循环并避免对中心抽头的需求，它可以提供稳定的直流电源。通过正确的二极管选择、热控制和滤波，它可确保电源、充电器、照明系统和电机控制的高效性能。
常见问题 [FAQ]
单相和三相桥式整流器有什么区别？
单相使用 4 个二极管用于一个交流输入;三相使用 6 个二极管和三个输入，提供更平滑的直流和更少的纹波。
桥式整流器可以在没有变压器的情况下工作吗？
是的，但它不安全，因为直流输出没有与电源隔离。
如果桥式整流器中的一个二极管发生故障会怎样？
短路的二极管可能会熔断保险丝或损坏变压器;开路二极管使电路就像具有高纹波的半波整流器一样。
二极管电桥可以处理的最大频率是多少？
标准二极管的工作频率高达几kHz;肖特基或快速恢复二极管可处理数十至数百 kHz。
桥式整流器可以并联以获得更大的电流吗？
是的，但它们需要串联电阻器等平衡方法;否则，电流可能会流动不均匀并使二极管过热。