整流電路（rectifier circuit）是二極管的一個重要應用，其功能是將交流電變為直流電，下圖為一個普通的直流電源的基本框圖結構：

圖 2-3.01?

這一小節我們詳細要分析的，就是圖中的二極管整流器（diode rectifier）部分。作為整流器使用的二極管通常都是功率二極管，它的功率和最大正偏電流值要比一般作為開關使用的高速二極管大得多，比較常用的功率二極管有：1N4001~1N4007系列。常用的整流電路有半波整流和全波整流兩種，下面分別予以介紹。

1.?? 半波整流

半波整流（half-wave rectification）的電路非常簡單，如下圖所示：

圖 2-3.02?

設輸入電壓為經過變壓器變壓后的正弦電壓，表達式為：

當輸入電壓vi處于正半周且大于0.7V時，二極管導通，此時輸出電壓vo僅比vi小0.7V；當輸入電壓小于0.7V時（整個負半周和正半周小于0.7V的部分），二極管截止，輸出電壓vo為0，其輸入和輸出的對比波形圖如下圖所示：

圖 2-3.03?

當然，上圖只是我們假想的理想二極管的波形，實際上，由于二極管伏安特性的非線性，在波峰處的輸入電壓和輸出電壓的差值要更大一些，真正的輸入電壓和輸出電壓的對比波形放大后是如下圖所示這樣的，下面是輸入Vm為5V時示波器觀察到的波形：

圖 2-3.04?

當輸入電壓的Vm遠大于0.7V時，其實這點微小的偏差可以忽略不記。

另外，再考慮一下在半波整流情況下，二極管的反偏峰值電壓（PIV），當輸入電壓處于負半周時，幾乎所有的反偏電壓都加在二極管上，所以對二極管反偏電壓參數的要求是：

PIV額定值 ≥ Vm ? ?（半波整流）

一般半波整流在實際中并不太用到，因為效率太低，整個負半周都浪費掉了。所以上面介紹的半波整流，僅僅是用來幫助初步理解整流的概念的，真正實用的是下面要介紹的全波整流。

2.?? 全波整流

（1） 橋式全波整流

最常用的橋式（bridge network）全波整流（full-wave rectification）電路圖如下圖所示：

圖 2-3.05?

當輸入電壓處于正半周時，二極管D2和D3導通，二極管D1和D4截止。當輸入電壓處于負半周時，二極管D4和D1導通，二極管D2和D3截止。電流流動情況分別如下圖所示：

圖 2-3.06?

注意在上圖中，流過負載電阻R的電流方向始終是從右向左的，所以在R上的電壓極性始終是一個方向的。另外，電流通路要經過2個二極管，所以輸出電壓會比輸入電壓下降2個0.7V（即1.4V），最終的全波整流的輸入和輸出波形是這個樣子的：

圖 2-3.07?

當輸入電壓的Vm遠大于1.4V時，可以忽略這個1.4V，近似認為輸出電壓的波形是這樣的：

圖 2-3.08?

根據電路基礎理論中的關于交流電“平均值”和“有效值”的公式，可以得到以下結果：

最后再來看全波整流對于二極管的PIV參數的要求，以正半周為例（此時D2和D3導通，可近似視為短路），在下圖中可以看到，無論是D1還是D4，都承受了幾乎所有的vi電壓

圖 2-3.09?

所以對全波整流二極管的選型，PIV的參數要求為：

PIV額定值 ≥ Vm ? ?（橋式全波整流）

（2） 中心抽頭變壓器全波整流

另一種比較常見的全波整流電路為使用中心抽頭變壓器（center-tapped transformer）的整流電路，也叫CT全波整流，如下圖所示：

圖 2-3.10?

變壓器的初級和次級線圈繞組的匝數為1:2，次級線圈上會產生2倍于vi的電壓，但是對于中間的抽頭O點引出后，無論是AO之間還是BO之間，都只有次級線圈的一半匝數，故它們的電壓vAO和vBO都等于vi

當輸入電壓處于正半周時，二極管D1導通，D2截止，負載R上的電壓為vo等于次級線圈的一半（即AO之間）的電壓，此值大小等于vi，流過R的電流方向為從右至左；當輸入電壓處于負半周時，二極管D2導通，D1截止，負載R上的電壓為vo等于次級線圈的另一半（即BO之間）的電壓，此值大小也等于vi，流過R的電流方向同樣為從右至左。 輸出電壓vo的波形如下圖所示：

圖 2-3.11?

中心抽頭變壓器全波整流對于二極管PIV參數的要求與橋式整流不同，從前面圖中可以看到，對于每個二極管，當其反偏時，要承受整個整個次級線圈的反偏電壓，即2倍的vi，所以對于中心抽頭變壓器全波整流二極管的選型要求為：

PIV額定值 ≥ 2Vm ? ?（中心抽頭變壓器全波整流）

3.?? 濾波與穩壓

最后我們再簡單介紹一下“圖2-3.01”中的濾波器和穩壓器。

圖 2-3.12?

（1） 濾波器

濾波器（filter）可以做得很復雜，也可以做得很簡單，最簡單的濾波器就是一個電容。一般對于交流電源整流后濾波來講，一個大電容基本上就夠用了，如下圖所示：

圖 2-3.13?

上圖中，輸出電壓vo等于濾波器的電容電壓vC，我們來分析濾波過程：

（1）在全波整流的輸出電壓第1次到達峰值Vm以前，整流器的輸出電壓給電容C充電，此時vo等于整流器輸出電壓，如下圖所示，圖中灰色虛線為無濾波器時的整流器輸出電壓：

圖 2-3.14?

（2）當整流器輸出電壓經過峰值Vm后，其輸出電壓開始變小，此時電容上存儲的電壓為Vm，已經超過整流器輸出電壓，但是由于整流器的D2和D4反向截止，電容無法向整流器放電，只能通過負載電阻RL進行放電。由于濾波電容一般都會用比較大的電容，所以通過負載RL放電的速度比較緩慢，如下圖所示：

圖 2-3.15?

（3）當整流器的輸出電壓第2次接近峰值Vm時，由于電容放電速度比較緩慢，電容電壓vC比峰值Vm略低，當整流器輸出電壓超過電容電壓時，整流器再次對電容進行充電，如下圖所示：

圖 2-3.16?

（4）當整流器輸出電壓再次小于峰值Vm時，電容再次開始放電。如此周而復始，由于輸出電壓vo等于電容電壓vC，最終輸出的電壓波形如下圖所示：

圖 2-3.17?

這種形狀的輸出電壓波形稱為波紋電壓（ripple voltage）。一般來講，電容取得越大，波紋就越小，濾波效果越好。同時，負載RL的阻值也不能太小，否則也會因為放電速度太快而使波紋波動幅度加劇。

● 浪涌限制電阻

最后再補充一點關于浪涌（surge）的知識。在電源剛接通時，濾波電容C是未充電的，當開關SW合上的瞬間，電容相當于并聯在整流器的輸出電壓上，會產生非常巨大的瞬間充電電流，這個稱為浪涌電流（surge current）。如果開關閉合的時機正好在整流器輸出電壓處于峰值Vm輸出的時候，會產生最糟糕的情況，此時會產生極大的浪涌電流。如下圖所示：

圖 2-3.18?

大的浪涌電流很可能損壞二極管，或者導致變壓器前級的保險絲熔斷，因此通常會在充電通路上加一個抗浪涌電阻Rsurge，以形成RC充電回路，防止充電電流過大，如下圖所示：

圖 2-3.19?

這個抗浪涌電阻的阻值選擇比較講究，既不能太大（阻值太大會導致這個電阻上本身產生很大的壓降，而影響電源效率）；也不能太小（阻值太小會導致抗浪涌效果不好）。最好是電路啟動的時候阻值比較大，以取得較好的抗浪涌效果；然后電路正常工作的時候阻值較小，以避免在抗浪涌電阻上產生過多壓降。有沒有這種理想的抗浪涌電阻呢？

答案是有的。通常我們用NTC（負溫度系數）熱敏電阻來作為抗浪涌電阻。負溫度系數的特點是：溫度越高，阻值越低。當電路剛啟動時，溫度一般為常溫，NTC電阻阻值會比較大，這時抗浪涌效果會比較好。當電路工作一段時間后，流過NTC電阻的電流會導致電阻發熱，使其阻值下降，這樣就可以避免在抗浪涌電阻上產生過大的壓降。

當然，這種用法也有缺點，就是斷電后，要等一段時間，使NTC電阻冷卻下來后，才能再次開啟，否則初始抗浪涌的效果會變差，一般典型的冷卻時間大約為1分鐘左右。如果對于需要頻繁開啟的情況，就需要設計更復雜的抗浪涌電路。

（2）穩壓器

穩壓器（regulator）的作用是將濾波器輸出的紋波電壓，轉換成比較理想的恒定直流電壓，并且在即使輸入電壓有波動、溫度有波動或負載電阻有波動時，仍能保持比較恒定的直流電壓輸出。

集成IC穩壓器能比較好地達到這一目標，而且成本低廉（價格在幾毛錢~1元不等），最常用的78XX系列穩壓器可以產生5V~24V的輸出電壓，見下表所示。IC穩壓器的輸出電流通常最大可以達到1A，有的甚至可以達到5A，詳情可查看具體的數據規格書。

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表 2-3.01?

一個典型的完整包含“整流器、濾波器、穩壓器”的可產生5V的直流電源的電路如下圖示：

圖 2-3.20?

上圖中，C1即為濾波器，C2主要用于改善穩壓器的輸出暫態響應，這個電容值比較小（一般為0.1uF~1uF左右）。D1~D4可選用上一章我們提到的1N4007二極管。

● 線性電源與開關電源

上面我們分析的都是線性電源（linear power supplier），其優點是結構簡單，對外界產生的干擾也較小。其缺點主要有2個：一個是重量太重（大部分重量是由鐵芯變壓器產生的），另一個是轉換效率稍低，IC穩壓器會產生一定的熱量損耗，一般需要對IC穩壓器做單獨散熱。

另一種形式的直流電源稱為開關電源（SMPS），它的優點是輕便、轉換效率高；缺點是會產生大量的電磁干擾（EMI），還會對配電網造成一定影響（主要是會在配電網中產生大量高次諧波并拉低功率因數）。為了抵消這些影響，開關電源必須設計得更為復雜。開關電源的工作原理與線性電源完全不同，后面如果有機會我們會將電源設計和穩壓器參數單獨講一章。