如何将交流电转化为直流电
本文介绍了二极管的基本知识、桥式整流器以及如何利用二极管将交流电转化为直流电。
二极管
这是二极管的实物图片和电路符号：
二极管
二极管末端的灰色条纹表示二极管的负极。
二极管是什么？
二极管是一种只允许电流沿一个方向流动的装置。
只允许单向流动
因此，如果将交流电输入二极管正极，负电压将被阻止，波形的正半部分将只在二极管负极端得到。这个过程被称为半波整流（Half Wave Rectification）。也适用于方波、三角波等负电压波形。
正弦波半波整流
半波整流方波
三角波半波整流
正向压降
如果仔细看正弦波的整流波形，会发现波形顶部少了一块:
少了一块
那是因为完美的二极管不存在。所有二极管都有所谓的正压降(Voltage drop or Vf)。这意味着当电流正向流过二极管时，电压通常会降低 0.7 伏左右。确切的数字会随着温度、电流和二极管的类型而变化，但现在我们认为它是 0.7 伏。
正向压降
因此，二极管两端的电压达到 0.7伏前不会导通。
一旦导通，两端总会有 0.7 伏的压降。
0.7 伏压降
对于二极管来说，当输入电压为负时，二极管无法导通，因此输出端电压为 0 伏。
输入电压为 0.3 伏时仍不足以导致二极管，因此输出端电压为 0 伏。
输入电压为 0.9 伏时，二极管导通，但由于正压降，输出端电压为 0.2 伏。
输入电压为 10 输出端电压为伏时 9.3 伏。
高于 0.7 伏才导通
额定功率
额定功率也是二极管的重要参数。二极管的功率是使用的 Vf 乘以流过二极管的电流计算。
二极管功率计算公式
所以当电流是 1 毫安时，只有 0.7 毫瓦会因热量流失，问题不大。
0.7mW
但当电流通过二极管达到时 3 将产生安培 2.1 瓦的热量很大。因此，您要么使用功率较大的二极管，要么使用正压降较低的二极管，如肖特基二极管。
2.1W
开关速度
二极管最后一个值得注意的参数是：开关速度(switching speed)。这个参数在文档中通常是电气参数（ELECTRICAL CHARACTERISTICS ）中间，反向恢复时间（Reverse Recovery Time），符号为：trr。
1N4007 是专门为低频电力电子设备设计的，比如家里 50-60 赫兹交流市电。
二极管速度测试电路
测试二极管开关速度
频率为 50 赫兹时，一切正常：
1N4007 50 赫兹一切正常
当交流信号的频率增加到 10 二极管在几千赫兹时开始失效，因为它开始反向导通:
1N4007 十几 k 赫兹结束了
这是因为二极管需要一段时间才能在允许电流正向导通和阻止反向电流之间切换。不同的二极管有不同的切换速度。
1N4148 切换速度为：4ns:
1N4148 切换速度达到 4 纳秒
用 1N4148 替换上面的 1N4007, 能够支持到 100k 赫兹频率的信号。
1N4148 可以支持到 100 k 赫兹的信号
对于射频应用，您将需要开关速度更快的二极管。
在设计电路时，应考虑二极管的最大额定电压、正压降、额定电流和开关速度。
二极管的几个重要参数
半波整流
有了以上知识，你可以用二极管建造一些东西。二极管最常见的用途是将交流电转换为直流电。让我们建立一个非稳定的压力（unregulated）直流电源。
首先，我们需要家庭使用 220 伏市电降压到更低更安全的交流电。详见我的另一篇文章变压器教程。
上
变压器输出 12 伏交流电
图中蓝色黄色的线来自变压器的 12 伏输出端。
当负载为零时，变压器输出一个干净的正弦波，峰值约为 36 伏，频率为 50 赫兹。
干净的正弦波
二极管上场
在输出波形后面添加一个 1N4007 二极管，然后测量二极管两端的电压，从波形中可以看到负电压被切断。
单二极管整流电路
单二极管整流电路
以下是单二极管整流波形图：
单二极管整流波形
以下是将上述两个波形叠加在一起的效果：
单二极管整流波形
从技术上讲，我只用一根二极管将交流电转换为直流电，因为负电压被消除了。但是直流电太糟糕了。一半是奇怪的驼峰电压，一半是零。基本上没用。如果我们想让它有用，我们必须给它增加一点稳定性。说到压力稳定，是时候让我们的老朋友的电容器出现了。我们在输出端添加一个电容器来稳定压力。
电容上场
我们在二极管后面加一个 4.7 微法电容器立即输出完美电压 18 伏直流电：
18伏直流电
一切看起来都很漂亮，因为电路中没有负载。电容器通过二极管充电，因为没有负载，电容器存储的电荷不会耗尽。让我们给电路添加一个 4.7k 电阻作为负载，看看会发生什么。
4.7k 负载
通过欧姆定律可以计算出负载电路约为 4 毫安，18 伏 / 4.7k = 4 毫安。
CH1 探头仍接二极管正极，CH2 探头仍然连接到二极管负极，如下图所示 CH1 为黄色，CH2 为青色。
尴尬了
4毫安的电流电路无法支撑，输出的直流电变成了锯齿状剧烈抖动的波形。从上面的波形可以看出，当交流输入为正时，二极管允许电流通过，因此电容器充电。但一旦输入电压降至零，二极管就会阻止电流的反向流动，剩下的唯一能量就是小的 4.7 微法电容器。如图所示，即使负载很小，也会很快耗尽。
如何解决这个问题？如果我们将电容视为储存电荷的水库，我们可以提高水库的容量，为负载提供足够的电量，直到下一个输入电压再次变为正值。
更大的电容
让我们用更大的 470 微法电容取代微法电容，看看会发生什么。
增大电容
增大电容到 470 微法后，直流电再次变直，看起来不错。现在我们有一个直流电源，可以提供几毫安电流，足以为一些传感器和操作放大器供电。
看上去还不错
现在，让我们增加负载。我们将负载电阻增加到 10 欧姆，这将增加电路需求的电流到安培多。
10欧姆负载波形
输出电压再次抖动，电压纹波幅度很大。方根电压只有 8 因此，电路中流过的电流只有大约 0.8 安左右。
疯狂增加电容
所以，即使是 470 微法电容不够。我们可以添加更多的电容。
更多的电容
3290uF电容波形
现在均方根值电压已经达到了 10 伏，说明电路中流过的电流大概有 1 安左右，峰右 14 伏降到了 5 伏多。但 5 伏的纹波真的太大了。我们可以继续增加更多的电容器来减少纹波，但如果负载电流继续增加，达到几个安全培训，我们必须继续增加电容器，这是一个无底洞，不能继续这样做，我们必须找到另一种方法。
全波整流
让我们来看看下面的神奇电路：
整流桥
它由四根二极管按一定顺序排列组成，即桥式整流电路。又称桥式整流器。
正半周
正半周
在正弦波的正半周期中，与菱形左侧相连的电压为正（红色），与零星右侧相连的电压为负（蓝色）。红色和蓝色的两个二极管导通，允许电流正向流动。剩下的两个二极管截止日期，以防止流动通过，这相当于断路。电流从上端沿红色（正）路径向右流动到负载，然后沿负载流动到输出返回时，沿蓝色（负）路径返回下端。
负半周
负半周
现在在正弦波的后半部分，菱形左侧的输入为负（蓝色），菱形右侧的输入为正（红色）。电流从下端沿红色（正）路径向右流动，返回时沿蓝色（负）路径返回下端。
因此，与半波整流切断交流电负半周相比，全波整流逆转负半周并使用。因此，它将在输出端获得 100 赫兹的直流而不是 50 赫兹。
半全波整流比较
就像前面使用二极管进行半波整流一样，我们也可以用电容器过滤全波整流的输出，以获得更平稳的电压。
作者用了四个 1N4007 桥式整理器采用二极管，输入变压器 2 伏输出，注意我使用了一个 4.7k 电阻作为负载。因为此时没有用电容器滤波，如果不接入负载直接测量输出波形的话会有变形：
自制整流桥
从下面的波形中，可以看到之前 50 赫兹的有正有负的电压，经过整流后变为没有负电压的 100 赫兹的恒为正的驼峰型电压。这被称为全波整流，因为我们正在对全交流波进行整流。白色的波形是输入波形，是使用示波器的功能保存好并调出显示的。因为此时交流和直流没有共同的接地，因此无法同时测量这两个波形。整流后的波形的峰峰值为 16.3 伏，均方根值为 11.2 伏。
整流桥波形
现在让我们使用一个 470 微法的电容，接上 10 欧姆的负载，看看全波整流表现如何。
全波整流和半波整流对比
现在我们获得了 10 伏的平均电压，而不是我们之前使用单个二极管获得的 8 伏电压。这是因为全波整流器对电容器充电的速度是半波整流器的两倍。 因为我们充分利用了 50 赫兹交流市电的正负两个半波。
现在想想这些额外的二极管只需要几毛钱，带来了多大的不同。
桥式整流器可能有点难以理解，由于这个电路太经典，但它实在是人类智慧的最佳表现形式之一，它的身影也无处不在，学习一下还是有必要的。
现在让我们看看使用 3290 微法电容滤波的全波整流波形：
整流使用3290uF电容
均方根值（可以理解为平均值）到了 11.2 伏的电压高于之前使用的 470 微法滤波的 10 伏，电源纹波也由 8.5 伏降低到了 3.72 伏。
换句话说，桥式整流器与大量电容的组合几乎可以将任何大电流交流电变成大电流直流电。但是要注意，使用的二极管和电容的额定电压必须大于需整流波形的峰值电压。这里全波整流后的波形峰峰值为 16.3 伏，使用额定电压为 25 伏或以上的电容就可以了。
电容额定电压
有一点需要注意，这些都是未经稳压的直流电源。这意味着即使我们已经成功地消除了很多电压纹波，我们仍然会遇到负载下平均电压变化的问题。
空载时为 16.4 伏：
空载电压稳定
1 安培负载电压降到了 11.2 伏：
负载时电压降低
如果电路中的电流继续增大的话，输出电压还会下降。对于一些宽电压要求的电路来说，这不是问题。但是对于微控制器和其他一些数字电子产品，他们需要非常精确的电压源，为此需要生成所谓的稳压电源。
需要精准电压的器件
线性稳压器典型电路
咱们下一期再讲稳压电源（Voltage Regulator）。
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