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整流器

2018-07-26 10:31:48     所属分类:功率电子学
交流讯号、半波整流、全波整流。

整流器是电源供应器的一部分,可以将交流电转换成直流电的装置或元件也被用来作无线电讯号的侦测器等。整流器可以是固态二极管、真空管二极管、汞弧管、或是氧化铜与硒的堆叠等作成。

能把直流电转换成交流电的装置则称为“逆变器”。

整流器一般指能把AC转成DC的那一组二极管的总称,但在半波整流只用到一个二极管时,这个二极管也就是整流器。

整流作用有时并不一定是单纯用来作为产生直流之用。早期的矿石收音机使用被昵称为“猫须”(cat's whisker英语Cat's-whisker detector)的金属细线压在方铅矿(galena,成分是硫化铅)晶体上,构成点接触整流器(point-contact rectifier),称为矿石检波器日语鉱石検波器或晶体检波器(crystal detector),目的是检波。在气体(瓦斯)加热系统中,火焰整流(flame rectification)是用于检测火焰的存在:当火焰存在时,火焰外层的两个金属电极形成的电流路径中,等离子会对给予的交流电压产生整流作用。

目录

  • 1 基本整流电路
    • 1.1 半波整流器
      • 1.1.1 单相半波整流
      • 1.1.2 三相半波整流
    • 1.2 全波整流器
      • 1.2.1 单相中心抽头式全波整流
      • 1.2.2 三相中心抽头式全波整流
      • 1.2.3 单相桥式全波整流
      • 1.2.4 三相桥式全波整流
    • 1.3 倍压整流器
  • 2 峰值损耗
  • 3 整流器输出电压平滑化
  • 4 应用
  • 5 整流技术
    • 5.1 机电(Electromechanical)方式
      • 5.1.1 同步整流器
      • 5.1.2 谐振子整流器
      • 5.1.3 马达与发电机组合
    • 5.2 电解式
    • 5.3 等离子(Plasma,又称电浆)形式
      • 5.3.1 汞弧整流器
      • 5.3.2 氩气真空管
    • 5.4 真空管(又称真空阀、热离子阀)
    • 5.5 固态整流器
      • 5.5.1 晶体检波器
      • 5.5.2 硒及氧化铜整流器
      • 5.5.3 硅或锗二极管
      • 5.5.4 肖特基二极管
  • 6 近期发展
    • 6.1 高速整流器
    • 6.2 单分子整流器
  • 7 参见条目
  • 8 参考资料

基本整流电路

半波整流器

在半波整流器中,交流波形的正半周或负半周其中之一会被消除。只有一半的输入波形会形成输出,对于功率转换是相当没有效率的。

单相半波整流

半波整流在单相供应时只使用一个二极管。

单相半波整流器

半波整流器的直流电压输出可以下列两个理想方程式计算之。

三相半波整流

与单相全波整流相比,三相供应时使用三个二极管,相当于三组单相半波整流,每组负责取得每一相线的一个半周的电压。

使用闸流体作为开关器件的三相半波整流电路,忽略供电端电感

全波整流器

各种桥式整流器,左下为硒整流器,其他都是常用的硅整流器

全波整流可以把完整的输入波形转成同一极性来输出。由于充份利用到原交流波形的正、负两部分,并转成直流,因此更有效率。全波整流有中心抽头式与桥式:

单相中心抽头式全波整流

对于单相交流电,如果变压器是中心抽头型的,两个背对背的二极管(指阴极接阴极,或阳极接阳极)便可组成全波整流。未做滤波时的平均Vdc=0.636Vm,频率为原来频率2倍。每个二极管PIV值2Vm。但与前述的桥式整流相比,全波整流需要两倍的变压器次级绕组,因此现今少用,但早期真空管年代较为常用。

全波整流:使用中间抽头变压器及两个二极管的全波整流器。
使用电子管的全波整流器,其中的真空三极管具有二个阳极,相当于两个共阴极的真空二极管。

一般的真空管整流器,常会把一个阴极和两个对应的阳极一起封装在一个容器内;这样,一个真空管里就等于具有两个阴极相连的二极管功能,方便全波整流之用。5U4与5Y3就是这种构造的整流管。

三相中心抽头式全波整流

使用闸流体作为开关器件的三相全波整流电路,采用中心抽头式变压器。忽略供电端电感

单相桥式全波整流

如果不是使用具有中间抽头的变压器,而只有一组输出线圈,则需使用四个二极管才能做全波整流。令峰值电压为Vm,未做滤波时的平均Vdc=0.636Vm,频率为原来AC频率的2倍,每个二极管所承受的逆向峰值电压(PIV, Peak Inverse Voltage)值是Vm。输出电压之有效值(Vrms)约为0.707Vm(最大值)。此种方式(如图)称为桥式整流,这四个二极管合称为桥式整流器:

Gratz桥式全波整流:使用四个二极管的全波整流器。

三相桥式全波整流

三相桥式整流器。

三相交流,使用六个二极管。通常有三对的二极管,不过,每一对不是同样会被用在全波单相整流电路的双二极管,而是将对处于系列(阳极阴极)。通常,市面双二极管有四个接头,所以使用者可以将它们配置为单相拆分供应使用供半一座桥或三相。

拆卸汽车交流发电机,显示六个组成一个全波三相桥式整流二极管。

生成交流(这样的设备被称为交流发电机)的大多数设备生成三相交流。一个汽车交流发电机有六个里面作为电池充电应用程序的全波整流二极管。可以作为计算的一个理想的全波整流的平均均方根输出电压:

符号说明:

Vdc,Vav - 直流输出电压,平均电压
Vp - 峰值电压(半波中的)
Vrms - 输出的RMS(均方根值)电压,注; RMS值也称有效值
π = ~ 3.14159
e = ~ 2.71828

倍压整流器

倍压整流,由两组半波整流组成的德隆电路

倍压整流的方式不只一种。

最简单的倍压整流(二倍)方式是利用两组简单的半波整流,以指向相反的二极管分别生成两个正负不同的电源输出,并分别加以滤波。连接正负两端可得到交流输入电压两倍的输出电压。此种电路称为德隆电路(德文:Delon-Schaltung)。如需要的话,此电路也可以提供中间电压,或当作正负双电压的电源来使用。

上述德隆电路可以衍生出另一种变体:在桥式整流的输出端使用两个相串联的电容器作为滤波电容,在滤波电容的中点与与交流输入的一端间联接一个开关。当开关切离时,这个电路会像一个正常的桥式整流;当开关接通时,就会成为前述的德隆电路,产生倍压整流的作用。举例来说,当交流输入为100~120V时,可让开关为通路;当交流输入为220~240V时,可让开关为断路;这样便使它很容易在世界上任何电源间切换,产生大约320V(±15%左右)的直流电压,以送入一个相对简单的开关模式电源。

倍压整流,此电路为格赖纳赫电路

另一种倍压整流是格赖纳赫电路(德文Greinacher-Schaltung,如图)。

格赖纳赫倍压电路可以继续添加二极管和电容器的级联,而形成多倍电压的电压倍增器,称为考克饶夫-沃尔顿产生器电路英语Cockcroft–Walton generator,当时是用于粒子加速器。这样的倍压电路虽可以提供几倍于输入交流峰值的电压,但电流输出和电压稳定度则受到限制。此类电压倍增器电路常用来提供高电压予旧式电视机的阴极射线管(CRT)、光电倍增管、或电蚊拍。

峰值损耗

在大部分的整流情况,峰值电压的输入到输出之间会有二极管的电压位障(一般的硅质P-N接面二极管在0.7V左右,萧特基二极管则在0.3V)。使用两个分开次级的半波与全波整流在每个二极管压降都会有峰值损耗。桥式整流则会有二个二极管压降损耗。在愈低的电源供应电压下二极管造成的功率消耗会愈加显著。

此外,如电压低于二极管的导通电压,二极管不会导通,也就是在每个半周期的导通前后一小段时间内(当电压<0.6V时)会不导通,因此输出波形在每个"波峰"之间的部分会呈现一小段零电压的间隔。

整流器输出电压平滑化

半波整流和全波整流之后所输出的直流电,都还不是恒定的直流电压。为了从交流电源整流产生稳定的直流电,需要加入滤波电路,使输出电压平滑化[1]。最简单的滤波电路就是在整流器的输出端加上一个能储存电能的电容器,通常称为滤波电容,即平滑电容(smoothing capacitor)。但此一滤波电容并不能百分之百消除交流电源的涟波。

经过滤波的整流器,显示出平滑效果

滤波电容的数值大小需要取舍。当给定负载时,电容值愈大则涟波愈低,但也造成成本愈高、通电瞬间的充电电流也愈大,整流二极管与变压器线圈如不能承受可能烧毁或降低寿命,又如多个大电容的装置同时启动,也可能造成交流电源的波形扭曲失真,影响其它电路。

给定可容忍的波纹(涟波)大小后,所需的滤波电容容量大小与负载电流成正比,并与供电频率和每个输入周期整流输出峰值的数量成反比。负载电流和供电频率通常由外部决定,非整流系统设计者所能控制,但每个输入周期高峰的数目则可以由整流器设计者选择: 半波整流的输出,在每个周期只会有一个高峰,基于这个和一些其他原因,使半波整流一般仅用在电流较小的情况。全波整流的输出,在单相交流的场合,每个周期会有两个山峰;三相交流输入三相桥式整流则每个周期会输出六峰;更多的峰数则可以借由在三相整流器前加入适当的的变压器网络,产生更多相位顺序而获得。

若要进一步减少涟波,可以使用一个电容输入滤波器,输入端的第一个滤波电容之后是一个扼流圈(电感器)和第二个的滤波电容的储能电路,以便把可以跨接线端与滤波电容器得到稳定的直流输出。扼流圈对涟波电流有很高的阻抗。[1]

如果直流负载需要较严格的平顺直流电压,则可以使用一个稳压器,以应付供电变化和负载特性的变化。

应用

整流器的主要应用是把交流电源转为直流电源。由于所有的电子设备都需要使用直流,但电力公司的供电是交流,因此除非使用电池,否则所有电子设备的电源供应器内部都需要整流器。

至于把直流电源的电压进行转换则复杂得多。直流-直流转换的一种方法是首先将电源转换为交流(使用一种称为逆变器的设备),然后使用变压器改变该交流电压,最后再整流回直流电源。

整流器还用在调幅(AM)无线电信号的检波。信号在检波前可能会先经增幅(把信号的振幅放大),如果未经增幅,则必须使用非常低电压降的二极管。使用整流器作解调时必须小心地搭配电容器和负载电阻。电容太小则高频成分传出过多,太大则将抑制讯号。

控制晶闸管导通相位时的全波整流输出电压

整流装置也用于提供电焊时所需固定极性的电压。这种电路的输出电流有时需要控制,此时会以可控硅(一种晶闸管)替换桥式整流中的二极管,并以相位控制触发的方式调整其电压输出。

晶闸管也用于各级铁路机车系统中,以实现牵引马达的微调。可关断晶闸管(GTO)则可用于从直流电源产生交流,例如在Eurostar列车上使用此方式提供三相牵引马达所需的电源。[2].

整流技术

机电(Electromechanical)方式

早期电力转换系统是纯电机的设计,因当时的电子设备尚不足以用来处理大电力。这种机械整流系统通常依赖某种形式的旋转或振动共振以便有足够快的速度配合输入电源的频率,其操作频率最高只能到几千赫兹。由于机械系统的复杂性,传统上需要高程度的维护,以确保正常运行。因应运动部件的摩擦,需要加以润滑并在磨损时予以置换。运转中,转为开路中的机械接点会发生电弧和火花,因而发热并腐蚀该接点。

同步整流器

在电力机车中,可能会使用同步整流器将交流电流转换成直流电流。机电式同步整流包括一个同步马达以驱动一组重型电气接点。马达的旋转与交流频率同步,并定时在正弦电流经过零的时候,改变连接方向,产生整流作用。该接点在切换瞬间并没有大电流,但持续接触时需要能够承载机车头的直流牵引马达所需的大电流。

谐振子整流器

谐振子整流器主要由作为谐振子的干簧管和作为激励源的电磁铁构成,通常用于低压交流电的整流。工作时,干簧管内的干簧在电磁铁激励下共振,从而按照一定周期接通电路,达到整流目的。特别的,还有一种用于直流升压的谐振子整流器:在变压器铁芯上装备两个干簧管,一个用于将低压直流电变为断续的电压,经变压器升压后再由另一组谐振子整流器整流为较高电压的直流电。

马达与发电机组合

马达与发电机组合或似的旋转转换器,实际上不会纠正电流方向,意义上不算真正的整流器,但它可以从交流电源生成直流电源。这个组合中其实是交流马达与直流发电机两者的转轴直接以机械方式耦合。交流马达带动直流发电机,电枢(armature)的线圈绕组感应出多相交流,经整流子(commutator,这里的整流子是指用于马达与发电机内的一个机电构造)换向后转换成直流电流输出。如使用同极发电机(homopolar generator),此发电机内就无需整流子。在高功率半导体广泛应用之前,马达与发电机组合使用在供应直流予铁路牵引马达、工业电动机和其他高功率直流用途,例如室外剧院放映机的碳精电弧灯。

电解式

电解整流[3]是1900年代的早期设备,现早已不再使用。当两个不同的金属悬于电解质溶液中时,可以发现某一方向的电流流动比另一方向阻力较小。最常用的是铝阳极和铅或钢铁阴极,悬于正磷酸三铵(triammonium orthophosphate)的溶液中。整流作用的形成是由于铝电极第一次通过大电流时会在表面形成对氢氧化铝的薄层。此种整流过程对温度敏感,若要有最佳效率,不可在86 °F(30 °C)以上运作。此外,它的击穿电压是指会造成电极上的薄层被穿透而发生短路的电压。电化学整流往往比机械的整流方法更脆弱,对相关变异因数很敏感,并可能产生剧幅特性改变或完全破坏。在同一时代,相似的电解设备,例如在正磷酸三铵溶液槽内挂起许多铝锥,用来作为避雷器(lightning arrestor)使用。与当作整流器时的不同点是只有铝电极,并用于交流,没有极化与整流操作,只是化学成分类似。[4]电解电容器是现代大多数整流滤波电路的必要组成部分之一,它正是从电解整流器发展出来的。

等离子(Plasma,又称电浆)形式

汞弧整流器

约在1909年到1975年间,高压直流的电源传输系统与工业加工中使用的整流器是水银整流器,或称汞弧管。该设备被包于蒜头型玻璃容器或大金属桶。一个阴极淹没在水银池的底部,多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。当电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时,电子束将可藉电离化的水银,由阴极流向阳极,但无法反向。原则上,这是一个高功率型的火焰整流器,与火焰中自然存在的等离子具有的单向电流传输特性相同。这些设备可用于数百千瓦等级的功率、可处理一至六相的交流。从1970年代中期起,汞弧整流器被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。史上最强大的汞弧整流器安装在加拿大马尼托巴水电局纳尔逊河双高压直流输电系统专案中,额订容量总和超过一百万千瓦,450,000伏特。[5][6]

氩气真空管

通用电气公司所推出称为Tungar的整流器,是一个充氩气的电子管(即真空管),内以钨质灯丝作阴极,碳质钮扣型的阳极。从 20年代起,它用于电池充电器和类似的用途,直到金属整流器与低成本的固态半导体整流器取代它为止。Tungar氩气真空管整流器的额定规格一般是电压数百伏特以内、电流几安培以内,某些型式的外观与大小很像一般白炽灯,只是多一个额外电极。

1940~50年代常用于车用真空管收音机中,型号为0Z4的真空管也是一种氩气真空管整流器。如本条目之前所提到的一般真空管全波整流器,0Z4具有二个阳极与一个阴极,但它最特别的一点是没有灯丝(型号中的0代表此意)。由于电极的形状设计,使逆向崩溃电压远大于顺向崩溃电压。当超过崩溃电压时,会转成低阻抗状态,顺向导通时0Z4的压降约为24伏特。

真空管(又称真空阀、热离子阀)

自爱迪生效应或称热离子发射发现之后,有多种真空管被开发出来,用以对交流进行整流。其中低功率型用作检波,例如最早的真空管二极管是由弗莱明(John Ambrose Fleming)于1904年发明的弗莱明阀(Fleming valve英语Fleming valve),它在无线电报接收器中,把收到的讯号整流,以推动检流计并侦测讯号。许多真空管的设备也在他们的电源中使用真空管作整流,例如All American Five英语All American Five收音机。一些特殊的真空整流器也设计予高电压用途,例如供应电视机接收器阴极射线管的高压电源,以及X射线设备高压电源电源中所用的kenotron真空管。然而,因考虑寿命因素,灯丝温度不宜过高,致使最大电流密度受限,因此真空整流器的电流容量通常不大。真空管整流器的另一限制是加热器的电源经常需要特别安排,以便能与所整流的高电压电路有足够的绝缘。

固态整流器

晶体检波器

使用金属细线压在方铅矿晶体上所构成猫须整流器,它是最早的固态二极管。

硒及氧化铜整流器

在小巧便宜的硅质半导体构成的固态二极管整流器广泛流行之前,常见的是就是硒(Se, Selenium)及氧化铜整流器。这种整流器以不同金属板的交错堆叠,并利用硒与铜氧化物间的半导体属性[7]。若与真空管整流器相比,虽然硒整流器重量轻、消耗电力少,但却有寿命有限、电阻值随着老化而增加、只是适用于低频率等缺点。不过,比起硅整流器,硒及氧化铜整流器对瞬间的电压暂态有更好的耐受性。

这些整流器的典型构造是由金属板与垫圈堆叠而成,并由中央的螺栓固定。堆叠的组数由耐压决定;每组单元的额定耐压约为20伏特。汽车电池充电机的整流器可能只需要一组单元:真空管用的高压电源可能需要很多组单元堆叠而成。以空气冷却方式的硒堆叠中的电流密度,约是600 mA/每平方英寸的有效作用区域。(约相当于90 mA/每平方釐米)。

硅或锗二极管

现代所使用的主要是硅二极管。半导体发展早期主要使用锗二极管,但现已极少使用。

肖特基二极管

近期发展

高速整流器

由美国爱达荷国家实验室(INL)的研究人员提出的高速整流装置,置于螺旋奈米天线的中心,并可将红外线频率的电能从交流转成直流[8]。一般红外频率范围从0.3到400THz,但INL文章内并未精确说明该研究所用的频率范围。

单分子整流器

单分子整流器(Unimolecular rectifier英语Unimolecular rectifier)一种具有单向导通功能的有机分子。此技术仍在实验阶段。

参见条目

  • 二极管
  • 电容器
  • 逆变器
  • 赫兹
  • 涟波

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 News, Features, Reviews, Forums and Resources for the Professional Content Creator - Creative Planet Network. digitalcontentproducer.com. (原始内容存档于2012-02-16). 
  2. ^ Mansell, A.D.; Shen, J., Pulse converters in traction applications, Power Engineering Journal, IEEE: 183–187, 2002-08-06, ISSN 0950-3366 
  3. ^ Hawkins Electrical Guide, 1917, Chapter 54: Rectifiers
  4. ^ Cyclopedia of Applied Electricity, Vol-II, American Technical Society, Chicargo, 1924, Page 487: Alternating Current Machinery
  5. ^ 运作中的水银整流器图片见:伦敦Belsize Park地下深处的水银整流器之一, 伦敦Belsize Park地下深处的水银整流器之二
  6. ^ Vijay K. Sood. HVDC and FACTS Controllers: Applications Of Static Converters In Power Systems. Springer-Verlag. : 1. ISBN 978-1402078903. The first 25 years of HVDC transmission were sustained by converters having mercury arc valves till the mid-1970s. The next 25 years till the year 2000 were sustained by line-commutated converters using thyristor valves. It is predicted that the next 25 years will be dominated by force-commutated converters 4. Initially, this new force-commutated era has commenced with Capacitor Commutated Converters (CCC) eventually to be replaced by self-commutated converters due to the economic availability of high power switching devices with their superior characteristics. 
  7. ^ H. P. Westman et al.,(ed), Reference Data for Radio Engineers, Fifth Edition, 1968, Howard W. Sams and Co., no ISBN, Library of Congress Card No. 43-14665 chapter 13
  8. ^ Harvesting the sun's energy with antennas(2007). Idaho National Laboratory. Accessed on 3 October 2008.

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