单相整流电路设计及Multisim仿真

代忠红，孙晓丹，潘小波，曹永凤

（马鞍山职业技术学院 技师学院，安徽 马鞍山 243000）

0 引 言

我国电网所提供的是电压为220 V，频率为50 Hz的交流电，而生活中很多电子产品及设备都需要电压较低的直流电供电，如常用的手机、电脑以及电视机等。因此需要有能够将交流电转变为稳定直流电的设备，即直流稳压电源。整流电路是直流稳压电源的核心部分，可以实现交变电流向单向脉动电流的转变。整流电路的核心元件是二极管，应选择整流性能较好的整流二极管[1]。整流二极管由锗或硅等半导体材料经过特殊的工艺制作而成，由于硅材料的整流二极管击穿电压较高，反向漏电流较小，高温性能较好，因此大功率的整流二极管一般都用高纯单晶硅制成。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。

整流二极管主要应用在各种低频整流电路，电网供电频率为50 Hz。经综合分析，本文利用二极管的单向导电性分别设计单相半波整流电路和单相桥式全波整流电路，选用整流性能较好的硅整流二极管，并利用Multisim软件仿真输出电压波形。

1 单相半波整流电路设计

1.1 设计思路

交流电与直流电最本质的区别是电的方向是否发生改变。我国国家电网供电是有效值为220 V，频率为50 Hz的正弦波交流电，电的大小和方向做周期性的改变。如果能有合适的元器件可以将交流电的方向由变化的转变成不变的，这样就可以得到直流电。二极管正好可以实现这样的功能，其具有单向导电的特性，即二极管的正极接高电位点，负极接低电位点时导通，反之截止。如此，可以将方向改变的交流电转变为方向不变的直流电[2]。除此之外，生活中电子设备所需要的直流电大都为几十伏或者几伏，所以考虑使用降压元件来降压。

本设计采用性能较好的硅二极管作为整流元件，其伏安特性曲线如图1所示。

图1 硅二极管的伏安特性曲线

正向特性是指外加二极管的阳极电压大于阴极电压。其中死区是指0A段，当正向电压较小时，正向电流非常小，此时二极管呈现出极大的电阻，通常将这个范围称为死区。硅的死区电压约为0.5 V。正向导通是指AC段，当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。导通以后二极管两端电压维持在0.7 V左右，由此得出正偏时二极管电阻很小，具有非线性。反向特性是指二极管阴极电压大于阳极电压（0D段）。反向饱和电流是指当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流。反向击穿是指DE段。若反向电压不断增大到某一数值时反向电流便会急剧增大，这种现象称为反向击穿。反偏电阻越大，越可能存在电击穿现象。普通二极管不允许出现此种状态，所以在后面电路设计中关于元件参数的选择要考虑二极管的最高反向工作电压[4]。为便于分析，在以下的整流电路分析中，设二极管为理想二极管，负载为纯电阻。

1.2 电路组成

单相半波整流电路如图2所示，主要由电源变压器T、整流二极管VD以及负载RL组成。

该电路的输入输出波形图如图3所示。其中图3（a）为经电源变压器降压后电压波形，其峰值为[5]。图3（b）为负载两端电压波形，即整流输出电压波形。图3（c）为输出电流波形，即流过负载的电流。图3（d）为整流二极管反向截止时其两端的电压。

1.3 工作原理

从图3可以看出，当输入电压处于交流电压的正半周时，二极管正偏导通，输出电压uO=u2，uD=0。当输人电压处于交流电压的负半周时，二极管因反偏截止，输出电压uO=0，uD=u2。从uO的波形图可知，输出电压uO已是单向脉动的直流电压。其中，uO为整流输出电压，uD为整流二极管VD两端电压。

1.4 参数计算

设电网电压经变压器降压后二次侧输出电压为：

输出电压平均值即输出电压的直流分量为：

输出电流平均值即输出电流的直流分量为：

整流输出电压的脉动系数S定义为整流输出电压的基波峰值与输出电压平均值之比，脉动系数越大，说明整流输出电压中交流分量越大[6]。

将整流输出uO作傅立叶分解可得基波角频率为ω，基波峰值Uolm=U2/RL，半波整流输出电压脉动系数为：

由于二极管的正向平均电流等于输出电流平均值，从uD的波形可知，二极管承受的最大反向电压为，再考虑到电网电压通常有±10%的波动，因而二极管的最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR选择为：

单相半波整流电路简单，只需一个二极管。由于只利用了交流电源的半个周期，因而效率低，输出直流分量小，交流分量大，适合于要求不高的场合[7]。

1.5 单相半波整流电路Multisim仿真

仿真电路模型如图4所示。该仿真电路元件及参数选择如下，选择变压器T的变比为10∶1，电源电压u1是有效值为220 V，频率为50 Hz的交流电，整流二极管VD型号选择1N4007，负载RL默认为1 kΩ。

图4 单相半波整流仿真电路模型

仿真结果如图5所示，其中波形A为输入电压波形，即变压器二次侧电压波形。波形B为整流输出电压波形。从该仿真波形可以看出半波整流输出是半波脉动的直流电。

图5 单相半波整流电路的仿真波形图

2 单相桥式全波整流电路

2.1 设计思路

利用二极管的单向导电性可以将交流电转换为直流电，通过以上半波整流电路可得到输出为半波的脉动直流电。由于半波整流效率不高，因此如果能将交流电负半周期的电压也转变为直流电，则可以大大提高整流效率。

2.2 电路组成

单相桥式全波整流电路如图6所示，主要由电源变压器T、整流二极管D1、D2、D3、D4及负载RL组成。4个整流二极管构成一个整流桥。在实际中，有现成的集成整流桥可供选用[8]。

图6 单相桥式全波整流电路

电路输入输出波形图如图7所示。u2为经电源变压器降压后的电压，其峰值为；uo为负载两端电压，即整流输出电压；iD为输出电流，即流过负载的电流；uD为整流二极管反向截止时其两端的电压。其中虚线部分波形表示二极管D2和D4反向截止时其两端的电压，实线部分波形表示二极管D1和D3反向截止时其两端的电压。

图7 桥式整流电路各部分波形图

2.3 工作原理

从图6可以看出，当输入电压处于交流的正半周时，即A点为高电位点B点为低电位点，此时二极管D1和D3因正偏而导通，输出电压uO=u2。当变压器副绕组交流电压u2为正弦波时，根据二极管的单向导电性，在u2的正半周，二极管D1和D3正偏导通，D2和D4反偏截止，输出电压uO=u2。在u2的负半周，二极D2和D4正偏导通，D1和D3反偏截止，输出电压uO=-u2。从uO的波形可知，它已是全波脉动的直流电[9]。

2.4 参数计算

输出电流平均值也即输出电流直流分量为：

在单相桥式全波整流电路中，D1、D3与D2、D4轮换导通，每个二极管只导通半个周期，其正向平均电流等于输出电流平均值的一半。从二极管两端电压uD的波形可知，二极管承受的最大反向电压为[10]。再考虑到电网电压通常有±10%的波动，因而二极管的最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR应选择为：

2.5 单相桥式全波整流电路Multisim仿真

仿真电路模型如图8所示。该仿真电路元件及参数选择如下，选择变压器T的变比为10∶1，电源电压u1是有效值为220 V频率为50 Hz的交流电，4个整流二极管型号选择为1B4B42，负载RL默认值为1 kΩ。

图8 桥式整流电路仿真电路模型

从图9仿真结果可知，其中波形A为输入电压波形，即变压器二次侧电压波形，波形B为整流输出电压波形。从该仿真波形可以看出桥式整流输出是全波脉动的直流电[11]。

图9 单相桥式整流电路仿真波形

3 结 论

整流电路是直流稳压电源的核心部分。本文分别设计了单相半波和桥式全波整流电路，并通过Multisim软件仿真直观地反映了单相半波及桥式整流输出波形。单相半波整流电路结构简单，仅利用交流电的半个周期，电源利用率较低，输出电压波动较大，只适用要求不高的场合。而单相桥式全波整流电路可利用交流电源的整个周期，电源利用率高，输出平均电压高，输出电压脉动成分小，应用非常广泛。