二極管橋式整流器是一種使用佈置在橋上的四個二極管將交流電轉換為直流電的電路。它在正負循環中均有效，使其比半波類型更有效率。本文詳細介紹了其功能、輸出電壓、選擇、效率、變壓器用途、紋波控制和應用。
CC4.二極體電橋選擇和額定值
二極管橋式整流器
二極體橋式整流器是將交流電 （AC） 轉換為直流電 （DC） 的電路。它使用四個二極管，排列成稱為電橋的特殊形狀。此設置的目的是確保電流始終通過負載沿一個方向移動。
在交流電中，電流每秒改變方向多次。橋式整流器在此週期的正負部分工作。這使得它比半波整流器更有效率，半波整流器僅在半個週期內工作。結果是電子設備可以使用的穩定直流電。
2、二極體橋式整流器的主要作用
在交流輸入的正半週期期間，兩個二極管導通並允許電流流過負載。當輸入切換到負半週期時，其他兩個二極管導通並引導電流沿同一方向通過負載。這種交變傳導確保負載始終接收沿單一方向流動的電流，從而產生脈動直流輸出。當在電路中添加電容器或濾波器時，脈動直流電被平滑，產生更穩定和連續的直流電壓。
二極管橋輸出電壓
平均直流輸出
平均直流輸出電壓，由公式
是整流後負載兩端測得的平均電壓。它代表脈動輸出的有效直流電平，並有助於描述電路從交流輸入產生多少可用直流電。
RMS 值
RMS（均方根）電壓使用以下公式計算
RMS 是一種確定提供與交流波形相同功率的等效穩定電壓的方法。它可以更真實地了解整流信號的加熱效果或功率能力，因為它反映了信號隨著時間的推移可以向負載提供多少能量。
帶二極管壓降的有效直流電
在實際電路中，真正的二極管並不完美，並且會引入電壓降。考慮到這些壓降的有效直流輸出可以表示為
電橋中的每條導通路徑都涉及兩個二極管，兩者都會導致壓降，從而降低實際的直流輸出。
• 對於矽二極體，Vf ≈ 0.7 V
• 對於肖特基二極體，Vf ≈ 0.3 V
與理想情況相比，這降低了實際的直流輸出。
二極體電橋選擇和額定值
二極體選擇的因素
• 正向電流額定值 （If）：二極體的連續額定電流應超過最大直流負載電流。始終選擇有 25-50% 的安全餘量。
• 浪湧電流額定值 （Ifsm）：在啟動時，特別是在為大型濾波電容器充電時，二極管面臨比穩定電流高數倍的浪湧浪湧。高 Ifsm 額定值可確保二極管在這些脈衝下不會發生故障。
• 峰值反向電壓 （PIV）：每個二極體在反向偏置時必須承受最大交流峰值。一般規則是選擇至少 RMS 輸入交流電壓的 2-3 倍的 PIV。
• 正向壓降 （Vf）：較低的 Vf 意味著更少的功率損耗和發熱。肖特基二極管的 Vf 非常低，但通常較低的 PIV 限制，而矽二極管是高壓應用的標準配置。
橋式整流器常用的二極體
| 二極體 / 模組 | 目前額定值 | 峰值電壓 |
|---|---|---|
| 1N4007 號 | 1 個 A | 1000 伏特 |
| 1N5408 號 | 3 安 | 1000 伏特 |
| KBPC3510 | 35 安 | 1000 伏特 |
| 肖特基 （1N5819） | 1 個 A | 40 伏特 |
二極體電橋效率和熱管理
損失來源
在全波橋中，電流一次流過兩個二極管。矽二極管的每個壓降通常為 0.6–0.7 V，肖特基類型的每個壓降通常為 0.2–0.4 V。可以計算出熱量損失的總功率：
如果不管理熱量，結溫會升高，從而加速二極體磨損並可能導致災難性故障。
熱管理策略
• 使用低 VF 器件：肖特基二極管顯著降低傳導損耗。快速恢復二極管更適合高頻整流器。
• 散熱方法：將二極體或橋接模組連接到散熱器。選擇具有內置熱路徑的金屬外殼橋式整流器。在二極管焊盤周圍提供足夠的PCB銅澆注。
• 系統級冷卻：外殼內的氣流和通風設計。根據降額曲線監控工作溫度。
二極體電橋和變壓器利用
全繞組利用率
在中心抽頭整流器中，每個半週期只有一半的次級繞組導通，另一半未使用。相較之下，二極體電橋在兩個半週期內使用整個次級繞組，確保變壓器的充分利用率和更高的效率。
無需中心點擊
橋式整流器的一個主要優點是它不需要中心抽頭變壓器。這簡化了變壓器的構造。減少銅的使用量和成本。使整流器更適合緊湊型電源。
變壓器利用率 （TUF）
變壓器利用率係數 （TUF） 衡量變壓器額定值的使用效率：
| 整流器類型 | TUF價值 |
|---|---|
| 中心抽頭全波 | 0.693 |
| 橋式整流器 | 0.812 |
二極管橋紋波和平滑
瑞波幣的性質
當交流電通過橋式整流器時，正負半部都被整流，從而產生連續輸出。電壓仍然會隨著每半個週期而上升和下降，產生漣波而不是完全平坦的直流線路。紋波頻率是交流輸入頻率的兩倍：
• 50 Hz 電源→ 100 Hz 紋波
• 60 Hz 電源→ 120 Hz 紋波
漣波因子比較
| 整流器類型 | 漣漪因子 （γ） |
|---|---|
| 半波整流器 | 1.21 |
| 中心抽頭全波 | 0.482 |
| 橋式整流器 | 0.482 |
使用濾鏡進行平滑處理
| 過濾器類型 | 產品描述 | 功能 |
|---|---|---|
| 電容濾波器 | 一個大型電解電容器連接在負載兩端。 | 在電壓峰值期間充電，在驟降期間放電，使整流波形平滑。 |
| RC 或 LC 濾波器 | RC 濾波器使用電阻電容器;LC 濾波器使用電感電容器。 | RC 添加了簡單的平滑;LC 可有效處理更高的電流，並能更好地降低漣波。 |
| 監管機構 | 可以是線性或開關式。 | 提供穩定的直流輸出，無論負載變化如何，都能保持恆定電壓。 |
二極體電橋變體和應用
| 類型 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|
| 標準二極體橋接器 | 設計簡單，價格便宜，應用廣泛。 | 更高的正向電壓損耗（矽二極管總計 \~1.4 V）。 |
| 肖特基橋 | 非常低的正向壓降（每個二極管 \~0.3–0.5 V），開關速度快。 | 較低的反向電壓額定值 （≤ 100 V）。 |
| 同步橋接器（基於 MOSFET） | 超高效率，傳導損耗最小，適合大電流設計。 | 需要更複雜的控制電路和更高的組件成本。 |
| SCR/受控橋接器 | 允許輸出電壓的相位角控制，並支援大功率處理。 | 需要外部觸發電路，並可能引入諧波失真。 |
二極體電橋問題、測試和故障排除
常見陷阱
• 二極管方向錯誤 - 導致變壓器沒有輸出甚至直接短路。
• 尺寸過小的電容器濾波器 - 導致高紋波和不穩定的直流輸出。
• 過熱二極管 - 當額定電流或散熱不足時發生。
• PCB佈局不良 - 走線長和銅面積不足會增加電阻和發熱。
故障排除工具
• 萬用電表（二極體測試模式）：測量正向壓降（矽為 ~0.6–0.7 V，肖特基為 ~0.3 V）並確認反向阻斷。
• 示波器：可視化負載處的紋波內容、峰值電壓和波形失真。
• 紅外線溫度計或熱像儀：檢測負載下二極管、電容器或走線的過度加熱。
• LCR 儀表：測量濾波電容器值以檢查是否隨時間退化。
二極管電橋應用
電源供應器
用於收音機、電視、放大器和具有濾波電容和穩壓器的電器的 AC 到 DC 電源。
電池充電器
應用於車載充電器、逆變器、UPS和應急燈，為電池提供受控直流電。
LED 驅動器
將 LED 燈泡、面板和路燈的交流電轉換為直流電，減少電容器和驅動器的閃爍。
馬達控制
為風扇、小型馬達、暖通空調、工業控制器提供直流電，確保平穩運作。
結論
二極管橋式整流器是將交流電轉換為直流電的可靠方法。透過使用完整的交流週期並避免需要中心抽頭，它可以提供穩定的直流電源。透過正確的二極體選擇、熱控制和濾波，可確保電源、充電器、照明系統和馬達控制的高效性能。
常見問題 [常見問題]
單相和三相橋式整流器有什麼區別？
單相使用 4 個二極管進行一個交流輸入;三相使用 6 個二極體和三個輸入，提供更平滑的直流和更少的紋波。
橋式整流器可以在沒有變壓器的情況下工作嗎？
是的，但這是不安全的，因為直流輸出沒有與電源隔離。
如果橋式整流器中的一個二極管發生故障會怎樣？
短路的二極管可能會熔斷保險絲或損壞變壓器;開路二極管使電路就像具有高紋波的半波整流器一樣。
二極體電橋可以處理的最大頻率是多少？
標準二極管的工作頻率高達幾 kHz;肖特基或快速恢復二極管可處理數十到數百 kHz。
橋式整流器可以並聯以獲得更大的電流嗎？
是的，但它們需要串聯電阻器等平衡方法;否則，電流可能會流動不均勻並使二極管過熱。