交流到直流转换器：工作原理、类型及电容滤波器应用详解

交流到直流转换器 是电力电子中最关键的元件之一。这是因为存在完全基于这些转换的各种实际应用程序。将交流交流 (AC) 输入转换为直接现代 (DC) 输出的电路称为 AC-DC 转换器。它们用于电力数字封装，其中电力输入 50 Hz 或 60 Hz 正弦波交流电压，需要进行直流输出的强度转换。现代交流电向直流电的转换方式称为整流。整流器在负载退出连接处将交流电转换为直流电。此外，变压器通常用于调节交流电源以降低电压级，从而为直流传输提供更好的操作范围。      

交流-直流转换器主要有两种类型：半波 整流器和全波整流器。

半波整流器

半波整流器将交流电压变换为直流电压。半波整流电路利用最简单的单二极管进行变换。半波整流器是一种整流器，它允许跳过最简单的 1/2 周期的交流电压波形，甚至阻止替代的半周期。在本次会议中，让我们认识一下有关 1/2 波整流器的一个要素。  

半波整流电路

半波整流器是最简单的整流器形式，仅需要一个二极管即可开发 1/2 波整流电路。

 半波整流电路由以下 3 个最重要的添加剂组成：

 • 一个二极管

 • 变压器

 • 阻性负载

半波整流器的工作原理

在本章节中，让我们了解 1/2 波整流器如何将交流电转换为直流电。 

1. 对降压变压器的初级端施加高交流电压。获得的次级低电压被施加到二极管。

2. 二极管在交流电压的正 1/2 周期内正向偏置，在负半周期内的某个时刻反向偏置。

 最终输出电压波形如图所示：

如果二极管正向偏置，则它充当闭合开关。但是，在交流电源电压负半周的某个阶段，等效电路将变为如下图所示

如果二极管反向偏置，则它充当打开的开关。由于没有电流可以流向负载，因此输出电压为零。

全波整流器

将交流电转换为直流电的电力电路称为整流器。整流器分为半波整流器和全波整流器两种。使用半波整流器时会丢失大量电能，并且对于需要简单且恒定供电的应用来说不可行。为了更加简单和定期供电，我们使用全波整流器。在本文中，我们可以寻找一个完整的波形整流器的操作和特性。 

定义全波整流器

 全波整流器被描述为将整个周期的交流电压转换为脉动直流的整流器。与最有效地利用输入交流周期的半波的半波整流器相比，全波整流器利用整个周期。

全波整流电路

全波整流电路可以采用两种方法构建。主要技术使用中心抽头变压器和二极管。这种关联被称为中心抽头全波整流器。第二种方法利用众所周知的变压器，其中四个二极管排列成桥。这称为桥式整流器。在接下来的阶段中，我们可以将讨论限制在最有效的中心抽头全波整流器上。

全波整流电路由一个降压变压器和两个相连的中心抽头二极管组成。通过连接的负载电阻接收输出电压。

全波整流器的操作

提供给全波整流器的 I/P AC 可能非常高。整流电路内部的降压变压器将过高的电压交流电转变为低压交流电。中心抽头二极管的阳极连接到变压器的次级绕组并连接到负载电阻。在交流电的正半周期过程中，次级绕组的顶部 1/2 同时变为正，在整个正半周期中，二极管 D1 处于正向偏置，因为它与尖峰相连同时，二极管 D2 反向偏置，因为它与次级绕组的底部连接较远。因此，在整个负半周期中，二极管 D1 将作为短路导通，而 D2 现在不会作为开路导通，二极管 D1 反向偏置，二极管 D2 正向偏置，因为顶部次级电路的一半变为负极，电路的下半部分变为正极。因此，在全波整流器中，每个正负 1/2 周期都会接收到直流电压。

 全波整流器的优点

• 全波整流器中的纹波成分较低，因此需要易于滤除。全波整流器中纹波分量的成本为 0.482，即使在 1/2 波整流器中纹波分量的成本约为 1.21 英里。  
• 全波整流器的输出电压和输出能量优于半波整流器。全波整流器的唯一缺点是它们需要比半波整流器更大的电路系数，这使得它更昂贵。

什么是电容滤波器？

常规电容滤波器电路图如下所示。该电路的设计可以通过电容器（C）和负载电阻（RL）来实现。整流器的激动电压通过电容器的端子提供。在任何情况下，整流器的电压都会升高，然后除了向负载提供电流之外，还会对电容器充电。   

在扇区阶段的最后部分，电容器将被充电到最高整流器电压值，用V m 表示，然后整流器电压 开始降低。当这种情况发生时，电容器开始通过其和负载上的电压放电。负载两端的电压几乎不会降低，因为随后的高电压会立即发生以对电容器充电。此过程将定期重复，并且可以看到输出波形中输出中缺少非常轻微的纹波。此外，输出电压被提前，因为它明显接近整流器输出电压的最高值。   

电容滤波电路以其成本低、重量轻、长度小、性能优良而闻名。电容滤波电路适用于小负载电流。

带电容滤波器的半波整流器

因此，我们需要一个不随时间交替的DC。为了克服这个麻烦并获得简单的 DC，可能会专门筛选出一些解决方案。 高能直流电尤其由交流和直流分量组成。所以这里过滤器用于去除或减少输出处的交流添加剂。

上面证明了1/2波整流器的电路图和电容滤波器的使用。该电路由电阻器和电容器构成。每当在正 1/2 周期期间向电路施加交流电压时，二极管就会让电流流过它。我们知道，电容器为直流组件提供了一条高电阻通道，为交流添加剂提供了一条低电阻通道。电流通常选择通过低电阻通道传输。因此，当电流流过滤波器时，交流分量会受到电阻，而直流分量会受到电容器的高电阻。直流添加剂随流经负载电阻（低电阻方向）。在导通时间的某个时刻，电容器充电至电源电压的最高值。 由于电容器某些极板的电压等于电源电压，因此可以说它已完全充电。当它接收到充电时，它会保持供电，直到靠近整流器的 i/p AC 传输实现负半周期。 一旦整流器达到负半周期，二极管就会获得反向偏置并停止让电流流过它。在此期间，输送电压低于电容器的电压。结果，电容器通过 RL 释放所有存储的电流。电容器的充电和放电具体取决于所传递的输入电压何时远小于或大于电容器电压。 一旦整流器达到正半周期，二极管就会获得正向偏置，并允许电流流动，使电容器再次充电。电容器通过大量放电滤除，将产生非常平滑的直流电压。 

因此，使用该滤波器可以轻松获得直流电压。            

带电容滤波器的全波整流器

 一旦在正半周期的某个阶段施加 i/p 交流电压，D1 二极管就会获得正向偏置并允许电流流动，而 D2 二极管则获得反向偏置并阻止电流流动。在上述 1/2 周期的过程中，D1 二极管中的电流使滤波器流出并为电容器供电。然而，当施加的电压高于电容器电压时，电容器充电就会简单地发生。

首先，电容器不会充电，因为大多数电容器板上不会留下电压。因此，当电压接通时，电容器立即充电。在整个传输时间内，电容器被充电至 i/p 电源电压的最佳值。电容器在正半周期内的四分之一波形处包含最大电荷。此时，传递的电压等于电容器的电压。 一旦交流电压开始下降并变得远小于电容器的电压，之后电容器开始稳定放电。当 i/p 交流电源电压变为负 1/2 周期时，D1 二极管将获得反向偏置，但 D2 二极管将获得正向偏置。在负 1/2 周期期间，二维二极管内的电流被清除，从而对电容器进行定价。但是，当所实现的交流电压优于电容器的电压时，电容器实际上会充电。电路中的电容器并不总是完全充电，因此充电不会立即发生。一旦电源电压高于电容器的电压，电容器就会充电。在每个半周期中，电流可以以相似的方向流过 RL 负载电阻。因此，我们收集整个正半周期或负半周期。

在这种情况下，我们将得到整个正 1/2 周期。