從交流電轉直流電出發(fā)調研二極管的使用

交流電和直流電是人們日常生活中電力使用的兩種基本方式，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換成直流電或是直流電如何轉換成交流電倍感興趣。通過查閱資料，了解到交流電轉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換成直流電為思想來源，以二極管為所調研的電子元件，著手于調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。借此加強對電路理論的以及Multisim仿真工具的深度學習。

1. 引言

眾所周知，交流電和直流電是人們在日產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，將他們相互轉化來達到用戶對電力特性的需求。

為此，本文從交流電如何轉化為直流電的角度進行分析調研，從中了解到了一種名叫整流電路的模塊在交流電轉直流電電路中起到的至關重要的作用。隨后調研了以此為出發(fā)點，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． 二極管的基本構成與伏安特性曲線

二極管是用半導體材料（硅、硒、鍺等）制成的一種電子元件。它具有單向導電性能，即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導通。當給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。因此，二極管的導通和截止，則相當于開關的接通與斷開。

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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。而根據二極管的伏安特性又可以構造多種等效電路。

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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，簡化分析過程，一般均假定負載為純電阻性；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，二極管導通。當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，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，其構成原則就是保證電壓V1的整個周期內，負載上的電壓和電流方向始終保持不變。

為了達到這一目的，就要在V1的正、負半周內正確引導流向負載的電流。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，不能適應大多電子電路及設備的需要。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，所以當輸入電壓發(fā)生波動時，輸出電壓平均值將隨之產生相應的波動；另一方面，由于整流濾波電路內阻的存在，當負載變化時，內阻上的電壓將產生變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產生相反的變化。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（或者說在一定的功率損耗范圍內），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性。因而廣泛應用于穩(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的電網電壓（即市電），一般情況下，所需直流電壓的數值和電網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換為直流電壓，即將正弦波電壓轉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。應當指出，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,但是當電網電壓波動或者負載變化時,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電壓波動和負載電阻變化的影響,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

復雜的直流穩(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品、家用電器等，其體積龐大，功能復雜，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成。小元件有大妙用，用一個個電子元件構成龐大的電路模型再到神奇的電子產品，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。多方面考慮、規(guī)劃，這樣的電路才是充滿奇跡、富有生機的。

審核編輯：劉清