单相整流器
来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。
直流电源通常指能够提供直流或单向电压和电流的设备。电池就是一种这样的电源，但其使用寿命和成本方面存在局限性。另一种提供单向电源的方法是使用整流器将交流市电转换为直流电。
整流器是一种只允许电流单向通过而阻断反向电流的器件，能够…
注意：实验过程中，电路通电时切勿触碰任何部分。当函数发生器作为信号源时，交流电源仅在图1和图2所示位置接地。切勿将可变交流变压器（VARIAC）接地。
1. 交流电源设置
本实验使用两个交流电源：一个低频为60 Hz的可变变压器（VARIAC），以及一个输出峰值电压为10 V、频率为1 kHz的正弦信号函数发生器。
- 开始之前，将差分探头连接到示波器的一个通道，将普通探头连接到另一个通道。
- 将探头上的按钮设置如下：差分探头设为 20X（或 1/20），普通探头设为 10X。切记打开差分探头的电源。
- 在示波器的每个通道菜单中，将探头设置为 10X。对于差分探头，需手动将所有测量值或结果乘以 2，以达到所需的 20X 倍率。
- 设置函数发生器时，确保其 50 Ω OUTPUT 已连接至 BNC-鳄鱼夹电缆。
- 将鳄鱼夹连接至普通示波器探头，以观察函数发生器的输出。
- 将输出设为峰值 10 V、频率 1 kHz、直流偏移为零的正弦波。
- 观察函数发生器的输出，并调节其设置以获得所需的输出波形。
- 信号设定完成后，断开 BNC 连接器，但保持函数发生器开启以保留其设置。同时断开示波器探头与发生器输出端的连接。
- 设置自耦变压器（VARIAC）时，确保其输出端（外观类似普通插座）未连接任何电缆。
- 保持自耦变压器关闭，并确保其旋钮处于零位。
- 缓慢调节自耦变压器旋钮至 5% 输出，此时应产生约 10 V 峰值电压。
半波整流器
2. 高频输入下的电阻负载
- 使用函数发生器作为交流电源，但暂时不要将其连接到电路中。
- 在面包板上搭建图1所示的电路。二极管（D）型号为2A01G-T，额定电压为50 V，额定电流为2 A；负载电阻（R）为51 Ω。
- 确保二极管的极性正确，二极管上的标记线一端为阴极。
- 在将差分探头连接到电路之前，先将探头的两个端子短接，并调节屏幕上显示的波形，使其偏移电压为零。
- 将差分电压探头连接在负载电阻两端，以观测输出电压 Vout。
- 使用普通探头连接在交流输入端，以观测输入电压 Vin。
- 将函数发生器连接到电路。
- 调节示波器的时间基准，使屏幕上显示最多四个输入电压 Vin 基波周期的 Vin 和 Vout 波形，并保存波形图像。
- 放大二极管关断区域的波形，并保存该区域的波形图像。
- 断开函数发生器，并移除用于负载测量的差分探头，以便进行负载修改。其余电路和连接保持不变。
图 1：带电阻负载的半波整流电路
3. 高频输入下的电阻-电感负载
- 使用图1中的相同电路，将一个4.7 mH的电感器（L）与阻性负载以串联方式连接，如图2所示。
- 将差分电压探头连接在负载电阻两端，以观察电阻电压Vout，其波形与R-L负载电流Iout的波形相同。
- 打开函数发生器的输出。
- 调节示波器的时间基准，显示最多四个输入电压Vin基本周期内的Vin和Vout波形。保存波形图像。
- 放大二极管关断区域，观察关断时间的延迟。保存该区域的波形图像。
- 关闭函数发生器输出，并将其从电路中断开。
- 移除电感器L，其余电路保持不变。
图 2：带阻感负载的半波整流电路
4. 低频输入下的电阻负载
- 确保可变变压器（VARIAC）输出处于5%且与电路断开。将差分探头连接到可变变压器两端，打开可变变压器，并微调其输出以获得10 V峰值电压。
- 在示波器上捕获波形，作为参考输入电压的观测依据。
- 关闭可变变压器，但不要改变其电压设置。
- 使用图1中的相同电路，即断开电感器，仅以电阻作为负载，通过插头-香蕉头电缆连接可变变压器输出端。
- 将差分电压探头连接至负载电阻两端，以观测输出电压 Vout。
- 打开可变变压器输出。远离电路，并在示波器上观察波形。如果需要调试电路，请先关闭可变变压器电源。
- 调节示波器的时间基准，显示最多四个基波周期的 Vout 波形。复制该波形。
- 放大二极管关断区域，复制该区域的波形。
- 关闭可变变压器并拆卸电路。切勿更改可变变压器的电压设置。
全波整流器
5. 电阻负载
- 在面包板上搭建图 3 所示的电路。
- 确保二极管的极性正确。二极管上的短横线一端为阴极。
- 电路搭建完成后，将自耦变压器（VARIAC）的输出端连接为交流电源。
- 将差分电压探头连接在负载电阻两端，以观测输出电压 Vout。
- 打开自耦变压器（VARIAC）的输出。远离电路，并在示波器上观察波形。如果需要对电路进行调试，请先关闭自耦变压器（VARIAC）的电源。
- 调节示波器的时间基准，使 Vout 显示最多四个 Vin 基波周期的波形。保存一份波形图像。
- 使用光标测量 Vout 的峰峰值。
- 保持探头连接不变，关闭自耦变压器（VARIAC），并拆解电路。
- 不要改变自耦变压器（VARIAC）的电压设置。
图 3．带电阻负载的全波整流电路。
6. 带滤波电容的电阻负载
- 使用图3中的相同电路，将一个电解电容（C）与阻性负载并联连接，如图4所示。
- 确保电容的极性正确，负极（-）连接至负载的负侧。
- 打开VARIAC输出。远离电路，并在示波器上观察波形。在调试电路前，务必先关闭VARIAC电源。
- 调节示波器的时间基准，以显示最多四个VIN基波周期的Vout波形。复制一份波形图。
- 使用光标功能及该通道的交流耦合选项测量Vout的峰峰值（交流耦合可消除信号的直流偏移）。
- 完成测量后，将通道恢复为直流耦合。
- 关闭VARIAC。
- 拆解电路并整理实验台。
图 4．带阻性负载和电容滤波的全波整流电路
单相整流器用于将交流电源电压和电流转换为直流电，以满足电子设备和数字电子装置的供电需求。供给家庭和商业场所的标准市电为交流电。然而，大多数数字电子设备设计为使用直流电源运行。整流器是一种可将交流电转换为兼容直流电的装置。整流器仅允许电流单向通过，从而将双极性的交流输入转换为单极性的整流输出。整流电路使用一个或多个二极管，仅通过交流电的正半周或负半周，产生脉动输出，再经滤波后获得平稳、稳定的直流电压和电流。本视频将介绍整流器和二极管电路的基本概念，演示几种常见的整流电路，并测试在不同输入电压和负载配置条件下整流电路的输出电压。
整流器是电子电路中用于使电流单向导通而反向阻断的器件。整流器仅在正向电压超过某一阈值时才允许电流通过。二极管整流器具有两个端子：阳极和阴极，电流从阳极流向阴极，而从阴极到阳极的电流则被阻断。单相半波整流器通过单个二极管传递电压。在此电路中，仅交流输入电压的正半周会传输到负载电阻两端。若将二极管反接，则仅交流输入电压的负半周会出现在电阻两端。交流电周期的负半周电压被阻断。由于仅存在一种极性，其均方根（RMS）输出电压相较于双极性输入电压有所降低。全波整流器通过由四个二极管组成的桥式电路传递交流输入电压的两个半周期，如图所示。它将负半周的极性翻转，从而在负载电阻上获得更高的平均输出电压。整流器产生的电流为单向脉动电流，该特性在半波整流器中更为明显。然而，通常通过在负载电阻上串联一个电感器来对整流器的输出进行滤波。在全波整流器中，将一个电容器与负载电阻并联可实现相同目的。本视频将演示在不同输出负载条件下半波与全波单相整流器的工作原理、二极管关断特性，以及利用不同电路对直流输出电压进行滤波的过程。
为了演示整流器的工作原理，使用两种不同的交流电源：高频输入为 1 千赫兹，由函数发生器产生，输出 10 伏峰值的正弦波；低频 60 赫兹输入则由可变交流变压器（variac）提供。电路通电时，请勿触碰任何部分。使用函数发生器作为电源时，电路应按图示方式接地；但切勿将可变交流变压器的电源接地。设置函数发生器以输出高频信号时，先将差分探头连接至示波器通道一，将 10x 探头连接至通道二。将差分探头的缩放系数设为 20x，10x 探头的缩放系数设为 10x。在示波器通道菜单中，将两个探头均设置为 10x。对于差分探头，需手动将测量值乘以 2，以达到所需的 20x 输出倍率。接下来，将 BNC 转鳄鱼夹电缆连接至函数发生器的 50 欧姆输出端，并将鳄鱼夹连接至 10x 示波器探头。将输出设置为 10 伏峰值、1,000 赫兹、零直流偏移的正弦波形。信号正确设置后，断开 BNC 连接器和示波器探头，但保持函数发生器开启以保留其设置。设置可变交流变压器以输出低频信号时，首先确保输出插座已断开，且设备处于关闭状态，其旋钮置于零位。然后缓慢调节可变交流变压器的旋钮至 5% 输出，以获得 10 伏峰值电压。
首先，使用高频输入电压和纯电阻负载测试半波整流电路。按照图示搭建电路，采用一个51欧姆的负载电阻，以及一个额定电压为50伏、额定电流为2安的二极管。二极管的极性在其阴极一端用短横线符号标出。在将差分探头连接到电路之前，先将探头的两个端子短接，并调节波形使其偏置电压为零。然后，将差分电压探头连接在负载电阻两端以观测输出电压，同时将10倍探头连接在交流侧以观测输入电压。接下来，调节示波器的时间基准，使其显示输入电压四个周期内的输入和输出电压波形。在进行任何电路修改之前，先断开函数发生器，并从电路中移除差分探头。接着，使用高频输入电压和电阻-电感负载测试半波整流电路。在原有电路基础上，串联接入一个电感器，如图所示。按照前述方法，将探头连接至电路，并显示输入和输出电压的波形。测试完成后，关闭函数发生器，断开差分探头，并从电路中移除电感器。最后，使用低频输入电压和纯电阻负载测试半波整流电路。将差分探头连接至自耦变压器（变比器）两端并开启电源。调节自耦变压器，使其输出峰值电压为10伏，然后在不改变其电压设定的情况下关闭自耦变压器。按照图示，将自耦变压器的输出端连接至电阻性电路。然后，将差分电压探头连接在负载电阻两端以观测输出电压。开启自耦变压器电源。当自耦变压器通电并处于开启状态时，切勿触碰电路。按照前述方法，显示输入和输出电压的波形。
首先，使用电阻负载测试全波整流电路。按照所示方式搭建电路，并将探头和可变变压器输出端连接至电路。如前所述，显示输入和输出电压的波形，并测量峰峰值电压。保持探头连接不变，关闭可变变压器，然后将一个电解电容与电阻负载并联。接着观察输入和输出电压。
第一个图显示了交流电源电压的四个周期，以及与半波整流器相连的电阻负载的输出。只有输入交流电压的正半周期能够通过二极管整流器。如果半波整流电路的输入电压是正弦波，则单个二极管带电阻负载时的平均输出电压等于输入峰值电压除以 π。当在负载电阻上串联一个电感器时，二极管的关断区域会被延迟。这种电感器与电阻器的组合构成一个低通滤波器。当电感值足够大时，输出中的振荡分量被阻断，仅留下恒定的直流分量。对于全桥整流器，输入的正半周期通过电路，而负半周期被整流为正向。添加一个足够大的电容器可滤除大部分电压纹波，从而为负载提供稳定的直流电压。
二极管整流器广泛应用于大多数电源、充电器、变频驱动器以及许多保护电路中。首先，交流电源适配器用于为直流供电的设备转换电能，或为设备内部的直流电池充电。这种适配器的电路可以非常简单，仅包含一个变压器（用于将来自120伏市电的电压降低）、一个由四个二极管组成的全波桥式整流电路，以及一个用于平滑直流输出电压的电容。晶闸管（thyristor）是一种硅控整流器，常用于调光器、电机调速控制器和电压调节器中。从结构上看，晶闸管由交替的P型和N型半导体层构成，在P型端形成阳极，N型端形成阴极，并在靠近阴极的P型层引出一个门极。当门极注入的电流脉冲超过其导通阈值时，晶闸管便从关断状态切换至导通状态，允许电流从阳极向阴极正向导通。这种机制实现了电流的单向整流，并通过集成的开关功能调节输出功率。
您刚刚观看了 JoVE 关于单相整流器的简介视频。您现在应该理解了单相整流器的工作原理、常见的整流电路及其输出特性，以及一些常见的整流器应用。感谢观看。
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Q1: Why do single-phase rectifiers convert AC to DC?
Single-phase rectifiers transform AC supply voltage and current to DC because most digital electronics are designed to run on DC power, while standard mains power supplied to homes and commerce is AC. Rectifiers pass current in only one direction, converting bipolar AC input to unipolar rectified output that can be filtered into smooth, consistent DC voltage and current.
Q2: How does a half-wave rectifier differ from a full-wave rectifier?
A half-wave rectifier uses a single diode to pass only the positive half-cycle of AC input voltage to the output, resulting in reduced RMS output voltage. A full-wave rectifier uses a four-diode bridge circuit to pass both half-cycles of AC input, flipping the polarity of the negative half and yielding a higher average output voltage across the load resistor.
Q3: What role do diodes play in rectifier circuits?
Diodes are the core components of rectifier circuits, with two terminals—anode and cathode—that allow current to flow from anode to cathode while blocking reverse current. Rectifier circuits use one or more diodes to pass only positive or negative AC power, transforming bipolar AC into unipolar output that can be filtered to achieve smooth DC voltage and current.
Q4: How does filtering improve rectifier output?
Rectifiers produce pulsating DC output with voltage ripple. Filtering removes this ripple using inductors or capacitors. In half-wave rectifiers, an inductor in series with the load acts as a low-pass filter. In full-wave rectifiers, a capacitor in parallel with the load smooths the output. A sufficiently large capacitor filters out most voltage ripple, providing consistent DC voltage to the load.
Q5: What happens when you add an inductive load to a half-wave rectifier?
Adding an inductor in series with the load resistor delays the diode turn-off region and creates a low-pass filter effect. When the inductor value is sufficiently large, the oscillatory component of the output is blocked, leaving only the constant DC component. This combination smooths the pulsating output more effectively than a resistive load alone.
Q6: What are common applications of diode rectifiers?
Diode rectifiers are found in most power supplies, chargers, variable frequency drives, and protection circuits. AC power adapters use a transformer to step down voltage, a four-diode bridge full-wave rectifier, and a capacitor to smooth DC output. Thyristors, silicon-controlled rectifiers, are used in light dimmers, motor speed controllers, and voltage regulators for regulated power control.
Q7: How do thyristors differ from standard diode rectifiers?
Thyristors are silicon-controlled rectifiers with alternating P and N type semiconductor layers, including a gate terminal connected to control switching. Above a latching threshold, a current pulse into the gate switches the thyristor from off to on, allowing forward current flow. This design enables rectification in one direction while providing integrated switching and power regulation capabilities.