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如何将交流电转换为直流电

本文介绍二极管基础知识、桥式整流器，以及如何利用二极管将交流电换为直流电。

二极管

这是二极管的实物图片和电路符号:

二极管末端的灰色小条纹表示二极管的负极。

什么是二极管？

二极管是一种只允许电流沿一个方向流动的器件。

因此，如果你给二极管正极输入交流电，负电压将被阻止，在二极管的负极端将会只得到波形的正半部分。这个过程被称为半波整流（Half Wave Rectification）。它也适用于其他带有负电压的波形，比如：方波、三角波等。

正向压降

如果你仔细看正弦波的整流波形，会发现波形顶部少了一块：

那是因为完美的二极管是不存在的。所有的二极管都有一个所谓的正向压降(Voltage drop or Vf)。这意味着每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、电流和二极管类型而变化，但现在我们当它就是 0.7 伏。

因此，二极管在其两端的电压达到 0.7伏之前不会导通。

一旦导通，则其两端总会有 0.7 伏的压降。

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。

当输入电压为 0.3 伏时，仍然不足以使二极管导通，因此输出端电压为 0 伏。

当输入电压为 0.9 伏时，二极管导通，但由于正向压降，在输出端电压为 0.2 伏。

当输入电压为 10 伏时，在输出端电压为 9.3 伏。

额定功率

二极管还有一个比较重要的参数的额定功率。二极管的功率是用 Vf 乘以流过二极管的电流计算出的。

所以当电流为 1 毫安时，只有 0.7 毫瓦会因热量流失，问题不大。

但是当通过二极管的电流达到 3 安培时，将会产生 2.1 瓦的热量，这是非常大的。因此，你要么使用更大功率的二极管，要么使用具有较低正向压降的二极管，如肖特基二极管。

开关速度

二极管最后一个值得注意的参数就是：开关速度(switching speed)。文档中这个参数一般在电器参数（ELECTRICAL CHARACTERISTICS ）中，写为反向恢复时间（Reverse Recovery Time），符号为：trr。

1N4007 是专为低频电力电子设备而设计的，例如家中的 50-60 赫兹的交流市电。

频率为 50 赫兹时，一切正常：

当交流信号的频率增加到 10 几千赫兹时，二极管开始失效，因为它开始反向导通了：

这是因为二极管在允许电流正向导通和阻止反向电流之间切换需要一定的时间。不同的二极管拥有不同的切换速度。

1N4148 的切换速度是：4ns:

用 1N4148 替换上面的 1N4007, 能够支持到 100k 赫兹频率的信号。

对于射频应用，你将需要开关速度更快的二极管。

当你设计电路时，需要考虑二极管的最大额定电压、正向压降、额定电流和开关速度。

半波整流

有了上面的知识，就可以用二极管来搭建点东西了。二极管最常见的用途是用来将交流电转换为直流电。下面我们搭建一个非稳压（unregulated）直流电源。

首先我们需要将家用 220 伏市电降压到更低、更安全的交流电。具体可参考我的另一篇文章。关于变压器的教程

图中蓝色黄色的线来自变压器的 12 伏输出端。

负载为零时，变压器输出一个干净的正弦波，峰峰值约为 36 伏，频率为 50 赫兹。

二极管上场

在输出的波形后面加一个 1N4007 二极管，然后测量二极管两端的电压，可以从波形中看到负电压被截断了。

下面是上面单二极管整流波形图：

下面是将上面两个波形叠加到一起的效果：

从技术上讲，我只用一个二极管就将交流电转换成了直流电，因为负电压被消除了。但这个直流电实在是太糟糕了，一半时间是一个奇怪的驼峰电压，一半的时间电压为零，基本没啥用。要想把它变得有用，我们得给它增加一点稳定性。说起稳压，是时候让我们的老朋友电容出场了。我们在输出端加一个电容来稳压。

电容上场

我们在二极管后加一个 4.7 微法的电容，立马输出一个完美的电压为 18 伏直流电：

一切看上去如此美好，那是因为电路中还没有加上负载。电容通过二极管充电，因为没有负载，电容储存的电荷不会被耗尽。我们给电路加一个 4.7k 的电阻作为负载，看看会发生什么。

通过欧姆定律可以计算出通过负载的电路大约为 4 毫安，18 伏 / 4.7k = 4 毫安。

CH1 探头还是接在二极管正极，CH2 探头还是接在二极管负极，下图中 CH1 为黄色，CH2 为青色。

4毫安的电流电路就支撑不住了，输出的直流电变为了一个锯齿状剧烈抖动的波形。从上面波形可以看出，当交流输入为正时，二极管允许电流通过，因此电容器充电。但是一旦输入电压降为零，二极管就会阻止电流的反向流动，剩下的唯一能源就是那个微小的 4.7 微法电容器。如图所示，即使在负载很小，它也会很快耗尽。

怎么解决这个问题？如果我们把电容看作存储电荷的水库的话，我们可以提高水库的容量，以便提供足够的电量给负载使用，直到下一次输入电压再次变为正值。

更大的电容

让我们用一个更大的 470 微法电容替换那个微小的一微法电容，看看会发生什么。

增大电容到 470 微法后，直流电再次变直了，看上去还不错。现在我们有了一个可以提供几毫安电流的直流电源，这足以为一些传感器和运算放大器供电。

现在，让我们把负载加大一下。我们把负载电阻增加到 10 欧姆，这会让电路需求的电流增大到一安培多。

输出电压再次抖动了起来，电压纹波的幅度很大。均方根电压只有 8 伏，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 微法的电容也不够了。我们可以添加更多的电容。

好多了，现在均方根值电压达到了 10 伏，说明电路中流过的电流大概有 1 安左右，峰峰值由 14 伏降到了 5 伏多。但 5 伏的纹波也确实太大了。我们可以继续增加更多的电容来减小纹波，但如果负载电流继续增大，达到几个安培，那么还得继续增加电容，这简直是个无底洞，不能继续这么搞下去，得另想办法。

全波整流

让我们看看下面这个神奇的电路：

它由四个二极管按照一定的顺序排列组合而成，这就是“桥式整流”电路。也称为桥式整流器。

正半周

在正弦波的正半周期，连接到菱形左边的电压为正（红），连接到零星右边的电压为负（蓝）。红蓝两个二极管导通，允许电流正向流动。剩余两个二极管截至，阻止流动通过，相当于断路。电流从上方的端子沿着红色（正）路径往右流到负载，再沿着负载流到输出，返回时沿着蓝色（负）路径回到下方的电源端子。

负半周

现在在正弦波的后半部分，连到菱形左边的输入为负（蓝），连到菱形右边的输入为正（红），电流从下方的端子沿着红色（正）路径往右流到输出，返回时沿着蓝色（负）路径回到下方的电源端子。

因此，与半波整流削掉交流电负半周不使用它相比，全波整流反转了负半周并使用了它。因此，在输出端会得到 100 赫兹的直流而不是 50 赫兹。

就像前面使用一个二极管进行半波整流时那样，我们也可以用电容器对全波整流的输出进行滤波以获得更加平滑的电压。

这是笔者使用四个 1N4007 二极管搭建的桥式整理器，输入变压器的 12 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：

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，是使用示波器的参考波形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。

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。

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：

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。

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：

1 安培负载电压降到了 11.2 伏：

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。

咱们下一篇再讲稳压电源（Voltage Regulator）。