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二極體電橋

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二極體電橋
类型半导体
发明Karol Franciszek Pollak(1859年11月15日-1928年12月17日)
电路符号
Diode bridge.svg
不同封裝的二極體電橋
手工製作的二極體電橋。二極體上有銀帶的一側為二極體的陰極

二極體電橋(diode bridge)是用四個或四個以上的二極管組成的电桥电路組態,不論輸入電壓的電極性英语Electrical polarity是正是負,輸出都可以維持相同的極性。

二極體電橋最常見的用途是將交流電(AC)轉換為直流電(DC),也稱為橋式整流器。橋式整流器配合二線交流輸入電壓,可以進行全波整流,其他的整流方式可以利用其二次繞組有中心抽頭英语Center tap变压器,再將輸出接到三端子輸入的整流器,但橋式整流器在成本及重量上都有優勢[1]

二極體電橋的基本特點就是輸出電壓的極性不會隨輸入電壓而變化。二極體電橋是由波兰電機工程師Karol Pollak英语Karol Pollak發明,在1895年12月在英國申請專利[2],1896年1月在德國申請專利[3][4]。德國物理學家Leo Graetz英语Leo Graetz在1897年獨立的發明類似的電路,也有發表[5][6]。有些文獻仍把此電路稱為Graetz電路或是Graetz電橋[7]

集成电路普及之前,會用四顆二極體組裝二極體電橋。自1950年開始由四個二極體組成電橋,放在同一封裝內的電子零件開始變成標準商品化的產品,目前已有不同的電壓及電流額定。

除了二極體電橋外,在倍壓器中,二極體也會和電容器配置成電橋組態。

電流[编辑]

若以常規電流方向為準,二極體的基本特性是只允許電流的單向流動,此稱為二極體的「順向」。二極體電橋中,二極體的接線方式會允許在電源交流周期的正半週,讓電流經由一個二極體順向導通到負載,負載的電流再經由另一個二極體順向導通到電源的負端,在電源交流周期的負半週,電流會經由另外二極體順向導通,因此都可以形成回路。

整流器[编辑]

在下圖中,連到菱形左邊的輸入為正,連到菱形右邊的輸入為負,電流從上方的端子沿著紅色(正)路徑往右流到輸出,返回時沿著藍色(負)路徑回到下方的電源端子。

Diode bridge alt 1.svg

若連到菱形左邊的輸入為負,連到菱形右邊的輸入為正,電流從下方的端子沿著紅色(正)路徑往右流到輸出,返回時沿著藍色(負)路徑回到下方的電源端子[8]

Diode bridge alt 2.svg

Diodebridge-eng.gif

上述二個例子中,上方的輸出端子始終為正[9],下方的輸出端子始終為負。不論輸入電源是交流或是直流,不會影響二極體電橋的特性。因此二極體電橋不但可以將交流電壓轉換為直流電壓,也可以做「反極性保護」的功能。例如用电池供電的設備,或是接直流電的設備,若電源是先經過二極體電橋再提供給設備,即使电池不小心裝反,或是直流電配線配反,也可以正常工作,不會損害設備。

類似二極體電橋功能的整流器,有中心抽頭變壓器及雙二極體的整流器,以及用二個二極體及二個電容排成電橋的倍壓整流器。

從上到下分別是交流電源,半波整流後信號,全波整流後的信號[10]

電壓平滑化[编辑]

若配合交流電源輸入,二極體電橋的輸出電壓(此情形下為全波整流器)是有極形的脈動正弦曲線,振幅和原來輸入相同,但頻率是原來的兩倍。輸出電壓可以視為是直流電壓上疊加了很大的漣波電壓。這樣的電源使用起來會有不少問題,因為漣波電壓會以废热的形式耗散在直流電路元件中,而此在電路運作中,可能會產生雜訊或是信號扭曲。因此幾乎所有的整流器後面都會接带通滤波器带阻滤波器,也可以用稳压器來將有漣波的電壓轉換為較平滑(而且可能比較大)的電壓。滤波器可能很簡單,例如一個夠大的电容器或是扼流圈,不過大部份電源供應器的濾波器都有許多交流的串聯或是分流元件。當漣波電壓上昇時,無效交流电功率可以儲存在濾波器元件中,減小實際輸出的電壓。當漣波電壓下降時,無效交流电功率會從濾波器元件中釋放出來,使輸出電壓增加。整流器的最後一段可能會包括以齊納二極體為基礎的穩壓器,因此幾乎可以完全消除漣波。

多相二極體電橋[编辑]

電橋電路可以擴展到在多相交流系統中進行整流。例如三相交流輸入的電源,半波整流需要三個二極體,而全波整流需要六個三個二極體。

半波整流器可以視為是三相電路的Y接,因為電流會從中性線返回,而全波整流器比較像是為是三相電路的Δ接,不過因為沒有用到中性線,因此不論三相電源是Y接還是Δ接,都可以用全波整流器。

三相全波整流器
上:三相交流電壓輸入,中:半波整流的輸出,下:全波整流的輸出
風力發動機上連接的三相橋式整流器

二極體切換技術及snubber電路[编辑]

電源供應器中的變壓器會有漏電感以及雜散電容。當二極體電橋中的二極體關閉時,非理想元件會形成諧振電路,會有高頻的振盪。而且高頻振盪可能會耦合到電路的其他部份。Snubber電路英语Snubber就是用來避免這類的問題。Snubber電路和二極體並聯可能會有一個很小的電容,或是由電阻和電容串聯組成。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Horowitz, Paul; Hill, Winfield. The Art of Electronics Second. Cambridge University Press. 1989: 44–47. ISBN 0-521-37095-7. 
  2. ^ British patent 24398.
  3. ^ (Graetz, 1897), p. 327 footnote.
  4. ^ (Editorial staff). Ein neues Gleichrichter-Verfahren [A new method of rectification]. Elektrotechnische Zeitschrift. 24 June 1897, 18 (25): 359 and footnote (德语). 
  5. ^ 參見
  6. ^ Strzelecki, R. Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks. Springer, 2008, p. 57.
  7. ^ Graetz Flow Control Circuit. (原始内容存档于2013-11-04). 
  8. ^ Sears, Francis W., Mark W. Zemansky and Hugh D. Young, University Physics, Sixth Ed., Addison-Wesely Publishing Co., Inc., 1982, p. 685.
  9. ^ bridge rectifier circuit electronics basic. The Geek Pub. [3 September 2019]. 
  10. ^ "Rectifier", Concise Encyclopedia of Science and Technology, Third Edition, Sybil P. Parker, ed. McGraw-Hill, Inc., 1994, p. 1589.

外部連結[编辑]