1.2 整流电路

学习目标：

① 熟悉单相整流电路的组成，了解整流电路的工作原理。

② 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法，并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形。

③ 能从实际电路中识读整流电路，通过估算，能合理选用整流元器件。

④ 能搭接由整流电路组成的应用电路，会使用整流桥。

整流电路是利用二极管的单向导电性，把正弦交流电转换为直流电的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。在小功率的直流电源中，整流电路的主要形式有单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。其中，单相桥式整流电路最为普遍。掌握整流电路的基本知识是正确使用整流电路的基础。

1.2.1 单相半波整流电路

1．工作原理

单相半波整流电路是电源电路中一种最简单的整流电路，它的电路结构最为简单，只用一只整流二极管。由于这一整流电路的输出电压只是利用了交流输入电压的半周，因此被称为半波整流电路，电路如图1-14所示。

整流变压器将电压u1变为整流电路所需的电压u2。设变压器的二次电压为u2=sU2sinωt，将二极管看做是理想元件，其工作原理如下：

当交流电压u2在正半周时，u2＞0，a端电位比b端电位高，二极管VD因加正向电压而导通，电流IL的路径是a→VD→RL→b→a。当二极管看做是理想元件时，忽略二极管的正向压降，此时uO=u2。

当交流电压u2在负半周时，u2＜0，a端电位比b端电位低，二极管VD承受反向电压而截止，负载RL上无电流流过，电压基本为零，即uO=0。

由此可见，在交流电一个周期内，二极管半个周期导通、半个周期截止，以后周期性地重复上述过程，负载RL上电压和电流波形如图1-15所示。输出电压uO中包含直流成分与交流成分，与输入的交流电比较有了本质的改变，即变成了大小随时间改变但方向不变的脉动直流电。

2．负载RL上的直流电压和电流的计算

在单相半波整流电路中，输出电压常用一个周期的平均值UO表示，其值为

因此，整流的输出电流（也是流过负载RL的电流IO）的平均值为

3．整流二极管上的电流和最大反向电压

二极管导通后，流过二极管的平均电流ID与RL上流过的平均电流相等，即

由于二极管在u2负半周时截止，所承受的最大反向电压UVDRM就是u2的峰值，即

整流二极管所承受的电压波形如图1-15（d）所示。

半波整流电路的结构简单，但是电源的利用率不高，输出只有半波，而且输出的电压脉动大。因此，单相半波整流电路适用于小电流、对输出电压波形和整流效率要求不高的场合。在半波整流电路中，为了满足工作的可靠性要求，要合理地选用整流二极管，应使二极管的最大整流电流IF＞ID，二极管的最高反向工作电 U压 RM=(1.5～2)UVDRM。

典型例题分析

【例题1-3】单相半波整流电路如图1-14所示，已知负载电阻RL=450Ω，变压器的二次电压U2=40V，试U求 O，IO及UVDRM，并选择适合的二极管。

解：根据题意可得：

UO=0.45U2=0.45×40=18V

查晶体管手册，二极管选用2CP12。

【例题1-4】某一直流负载电阻值为1.5kΩ，要求工作电流为10mA，如果采用半波整流电路，试求整流变压器二次电压值，并选择适当的整流二极管。

解：因为UO=IORL=1.5×103×10×10-3=15V

所以 U2=UO=2.22×15≈33V

流过二极管的平均电流为ID=IO=10mA

二极管承受的最大反向电压为UVDRM=U2≈1.414×33=47V

根据以上参数，查晶体管手册，可选用一只额定整流电流为100mA，最高反向工作电压为50V的2CZ82B型整流二极管。

1.2.2 单相桥式整流电路

单相桥式整流电路由4只二极管接成电桥形式，所以称为桥式整流电路，电路图如图1-16（a）所示。图1-16（b）为桥式整流电路的简化形式。

1．工作原理

当交流电压u2为正半周时（u2＞0），a端电位比b端电位高，二极管VD1和VD3承受正向电压而导通，VD2和VD4承受反向电压而截止，如图1-17（a）所示。此时电流的路径为：a→VD1→RL→VD3→b，负载RL上得到一个半波电压，如图1-18中电压uO的（0～π）段。

当交流电压u2为负半周（u2＜0）时，b端电位比a端电位高，二极管VD2和VD4承受正向电压而导通，VD1和VD3承受反向电压而截止，如图1-17（b）所示。此时电流的路径为：b→VD2→RL→VD4→a，负载RL上得到一个半波电压，如图1-18中电压uO的（π～2π）段。

由此可见，在交流输入电压的正负半周，都有同一方向的电流流过RL，四只二极管VD1，VD3和VD2，VD4轮流在正负半周内导通，IO=IO1+IO2，在负载上得到全波脉动的直流电压和直流电流。所以，这种整流电路属于全波整流类型，也称为单相桥式全波整流电路。

2．负载RL上直流电压和电流的计算

在单相桥式整流电路中，交流电在一个周期内的两个半波都有同一个方向的电流流过负载，因此在同样的交流电压u2下，该电路输出的电流和电压均是半波整流的2倍。输出电压为

整流后输出电流的平均值也是半波整流电路的电流平均值的2倍，即

依据负载RL上的电压UO来求得整流变压器二次电压：

因此，整流变压器的二次电流为

3．整流二极管上的电流和最大反向电压

在桥式整流电路中，由于每只二极管只有半周是导通的，所以流过每只二极管的平均电流只有负载电流的一半，即

要注意的是，在单相桥式整流电路中，每只二极管承受的最大反向电压UVDRM是变压器二次电压u2的峰值，即

典型例题分析

【例题1-5】试设计一台输出电压为24V，输出电流为1A的直流电源，电路形式可以采用单相半波整流和桥式整流，试确定两种电路的变压器二次电压有效值，并选择合适的整流二极管。

解：（1）当采用半波整流电路时，

整流二极管承受的最高反向工作电压为

UVDRM=U2=1.41×53.3≈75.2V

流过整流二极管的平均电流为

ID=IO=1A

根据以上分析计算数据，查晶体管手册，可选用2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为3A，最高反向工作电压为200V。

（2）当采用桥式整流电路时，

整流二极管承受的最高反向工作电压为

UVDRM=U2=1.41×26.7≈37.6V

流过整流二极管的平均电流为

根据以上分析计算数据，查晶体管手册，可选用四只2CZ11A整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为100V。

【例题1-6】桥式整流电路如图1-16所示，当电路分别出现以下故障时，分析故障对电路正常工作的不良影响。

（1）二极管VD1极性接反。

（2）二极管VD2开路或脱焊。

（3）二极管VD2被击穿短路。

（4）负载RL短路。

【解题思路】本题涉及整流电路的电流通路分析问题，如所接的电路形成的回路电流不经过负载 RL，就会造成电流过大而损坏器件；如所接的电路不能形成通路就会使输出的整流电压不正常。

【解题结果】（1）VD1管极性接反，u2负半周时，二极管VD2与VD1导通将变压器二次线圈短路，变压器会被烧毁。

（2）VD2管开路或脱焊，电路变为半波整流电路，输出的整流电压的波动增加，输出电压下降一半，UL≈0.45U2。

（3）VD2管击穿或短路，u2正半周时，VD1管与VD2管导通将变压器二次线圈短路使之烧毁。

（4）负载RL短路，电路的输出电流IL很大，将造成变压器二次线圈或整流二极管的烧毁。

1.2.3 实训项目：单相桥式整流电路的安装与调试

1．技能目标

① 掌握基本的手工焊接技术。

② 能在万能印制电路板上进行合理布局、布线。

③ 能正确安装整流电路，并对其进行调试与测量。

2．工具、元件和仪器

① 电烙铁等常用电子装配工具。

② 变压器、整流二极管。

③ 万用表。

3．相关知识

1）手工焊接技术

（1）焊接操作的正确姿势

掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，焊接时桌椅高度要适宜，挺胸、端坐，为减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应在30cm左右为宜。电烙铁的握法有三种，如图1-19所示。图1-19（a）为反握法，其特点是动作稳定，长时间操作不易疲劳，适用于大功率烙铁的操作；图1-19（b）为正握法，它适用于中功率烙铁操作；一般在印制电路板上焊接元器件时多采用的握笔法如图1-19（c）所示。握笔法的特点是：焊接角度变更比较灵活机动，焊接不易疲劳。

焊锡丝一般有两种拿法，如图1-20所示。正拿法如图1-20（a）所示，它适宜连续焊接；图1-20（b）所示为握笔法，它适用于间断焊接。

电烙铁使用完毕，一定要稳妥地放在烙铁架上，并注意电缆线不要碰到烙铁头，以避免烫伤电缆线，造成漏电、触电等事故。

（2）焊接操作的基本步骤

掌握好烙铁的温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点。正确的焊接操作过程可以分为如下五个步骤，如图1-21所示。

① 准备施焊，如图1-21（a）所示。左手拿焊锡丝，右手握烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。

② 加热焊件，如图1-21（b）所示。烙铁头靠在焊件与焊盘之间的连接处，进行加热，时间为2s左右。对于在印制电路板上焊接元器件，要注意烙铁头同时接触焊盘和元件的引脚，元件引脚要与焊盘同时均匀受热。

③ 送入焊锡丝，如图1-21（c）所示。当焊件的焊接点被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。尽量与烙铁头正面接触，以便使焊锡熔化。

④ 移开焊锡丝。如图1-21（d）所示。当焊锡丝熔化一定量后立即向左上45°方向移开焊锡丝。

⑤ 移开烙铁。如图1-21（e）所示。当焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以形成焊件周围的合金层后，向右上45°方向移开烙铁。从第3步开始到第5步结束，时间约为2s。

对于热容量小的焊件，可以简化为三步操作。

① 准备：左手拿锡丝，右手握烙铁，进入备焊状态。

② 加热与送锡丝：烙铁头放置焊件处，立即送入焊锡丝。

③ 去丝移烙铁：焊锡在焊接面上扩散并形成合金层后同时移开电烙铁。

注意：移去锡丝的时间不得滞后于移开烙铁的时间。

对于吸收低热量的焊件而言，上述整个过程不过2～4s，各步骤时间的节奏控制、顺序的准确掌握、动作的熟练协调，都是要通过大量实践并用心体会才能解决的问题。有人总结出了在五步操作法中用数秒的办法控制时间：烙铁接触焊点后数一、二（约2s），送入焊丝后数三、四，移开烙铁，焊丝熔化量要靠观察决定。此办法可以参考，但由于烙铁功率、焊点热容量的差别等因素，实际掌握焊接火候并无定章可循，必须视具体条件具体对待。

2）万能印制电路板介绍

万能印制电路板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的，如图1-22所示。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。

万能印制电路板的使用方法及注意事项如下：

① 安装分立元件时，应便于看到其极性和标志，将元件引脚理直后，在需要的地方折弯。为了防止裸露的引线短路，必须使用带套管的导线，一般不剪断元件引脚，以便于重复使用。一般不要插入引脚直径大于0.8mm的元器件，以免破坏插座内部接触片的弹性。

② 对多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐，引脚不能弯曲，所有的引脚应稍向外偏，这样能使引角与插孔可靠接触。要根据电路图确定元器件在万能印制电路板上的排列方式，目的是走线方便。为了能够正确布线并便于查线，所有集成电路的插入方向要保持一致，不能为了临时走线方便或缩短导线长度而把集成电路倒插。

③ 根据信号流程的顺序，采用边安装边调试的方法。元器件安装之后，先连接电源线和地线。为了查线方便，连线尽量采用不同颜色。例如：正电源一般采用红色绝缘皮导线，负电源用蓝色，地线用黑线，信号线用黄色，也可根据条件选用其他颜色。

④ 万能印制电路板宜使用直径为0.6mm左右的单股导线。根据导线的距离以及插孔的长度剪断导线，要求线头剪成45°斜口，线头剥离长度约为6mm，要求全部插入底板以保证接触良好。裸线不宜露在外面，防止与其他导线断路。

⑤ 连线要求紧贴在万能印制电路板上，以免碰撞弹出万能印制电路板，造成接触不良。必须使连线在集成电路周围通过，不允许跨接在集成电路上，也不得使导线互相重叠在一起，尽量做到横平竖直，这样有利于查线、更换元器件及连线。

⑥ 在布线过程中，要求把各元器件在万能印制电路板上的相应位置以及所用的引脚号标在电路图上，以保证调试和查找故障的顺利进行。

⑦所有的地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。

4．技能训练

（1）电路原理图

电路原理图如图1-23所示。

（2）装配要求和方法

工艺流程：准备→熟悉工艺要求→绘制装配草图→核对元件数量、规格、型号→检测元件→元器件预加工→万能印制电路板装配、焊接→总装加工→自检。

① 准备：将工作台整理有序，工具摆放合理，准备好必要的物品。

② 熟悉工艺要求：认真阅读电路原理图和工艺要求。

③ 绘制装配草图：绘制装配草图的要求和方法如图1-24所示。

● 设计准备：熟悉电路原理、所用元器件的外形尺寸及封装形式。

● 按万能印制电路板实样以1∶1比例在图纸上确定安装孔的位置。

● 装配草图以导线面（焊接面）为视图方向；元器件水平或垂直放置，不可斜放；布局时应考虑元器件外形尺寸，避免安装时相互影响，疏密均匀；同时注意电路走向应基本和电路原理图一致，一般由输入端开始向输出端逐步确定元件位置，相关电路部分的元器件应就近安放，按一字排列，避免输入、输出之间的影响；每个安装孔只能插一个元器件引脚。

● 按电路原理图的连接关系布线，布线应做到横平竖直，导线不能交叉（确需交叉的导线可在元件下穿过）。

● 检查绘制好的装配草图上的元器件数量、极性和连接关系应与电路原理图完全一致。

④ 清点元件：按表1-4配套明细表核对元件的数量和规格，应符合工艺要求，如有短缺、差错应及时补缺和更换。

⑤ 元件检测：用万用表的电阻挡对元器件进行逐一检测，对不符合质量要求的元器件剔除并更换。

⑥ 元件预加工。

⑦ 万能印制电路板装配工艺要求。

● 二极管均采用水平安装方式，紧贴板面。

●所有焊点均采用直脚焊，焊接完成后剪去多余引脚，留头在焊面以上0.5～1mm，且不能损伤焊接面。

● 万能接线板布线应正确、平直、转角处成直角、焊接可靠，无漏焊、短路现象。

⑧ 总装加工：电源变压器用螺钉紧固在万能印制电路板的元件面，一次绕组的引出线向外，二次绕组的引出线向内，万能印制电路板的另外两个角上也固定两个螺钉，紧固件的螺母均安装在焊接面。电源线从万能印制电路板焊接面穿过打结孔后，在元件面打结，再与变压器一次侧绕组引出线焊接并完成绝缘恢复，变压器二次侧绕组引出线插入安装孔后焊接。

⑨ 自检：对已完成的装配、焊接的工件仔细检查质量，重点是装配的准确性，包括元件位置、电源变压器的绕组等；焊点质量应无虚焊、假焊、漏焊、搭焊及空隙、毛刺等；检查有无影响安全性能指标的缺陷；元件整形。结果如图1-25所示。

（3）调试、测量

将电路通电，使用万用表电压挡（交、直流）测量整流电路的输入、输出电压，并将测量结果记录在表1-5中。

（4）实训项目考核评价

完成实训项目，填写表1-6所列考核评价表。