老师只教了理想二极管的单向导电性,要求同学们在此认知的基础上,用任意数量的理想二极管将交流市电(220VAC 50Hz 正弦波)变为脉动直流,即进行整流,不允许偷看教科书上的现成答案,只许用逻辑思维进行电路的构造。
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【构思】将正弦波的正负两个方向的波形变为一个方向(不妨以变为正向为例),有三种方法:
其一,“抹去”负波;
其二,将负波翻转成正波;
其三,用受控元件控制导通角,截取部分正波。如下图所示。
显然,抹去负波的情形最简单,使用一个理想二极管就可以做到,这可由“二极管的单向导电性”直接构造出下面的电路(半波整流)。左边是半波整流原理图,右边是等效电路(正向和负向的电压可变的电池)。
半波整流的优点是使用元件最少,电路结构最简单,但有个缺陷,即浪费了正弦波的一半波形(这是很不经济的),而且从直观上来说每个半个周期的0V电压,才来一个波峰,感觉这种波形的脉动程度非常大,谐波成分肯定不少。基于以上缺陷,接下来尝试在半波整流的基础上构造将负波变为正波的电路,以使波形利用率更高,而且整流后的脉动不那么厉害。
在半波整流电路中,波形正向时,BAT(+)被利用,而BAT(-)被废止,反之,BAT(-)被利用,而BAT(+)被废止,二者不可兼得。怎么办?既然要利用BAT(-),显然它的正极也要连接到二极管的正极,这势必要在半波整流电路的基础上引入一个新的二极管,如下图所示:
但稍微一看,上面的电路不能正常工作,因为二极管将正负方向的波形都阻断了,电路必须修改。尝试下面这些电路形式,都有一条支路短路(一半波形被短路),还是不能正常工作。
可以尝试将负载移到上图中新添加的线路上,看看是否能让BAT(+),D1与BAT(-),D2“共享”负载RL,如下图所示:
对上面的电路稍作分析,嗯!探索之路险且辛,功夫不负有心人,全波整流的目的貌似终于达到了。可是,这还不够!电池抽头的现实模型是什么呢?幸好联想到曾经学过次级带抽头的变压器(当然,1:1:1的三绕组隔离变压器不是不可以)。请看下图:
至此,全波整流电路构造完毕!
但是,人心不足吞大象!在电路设计及应用中,发现变压器体积大且笨重,而且带抽头的变压器制造工艺要求较高,这实在不是很经济的事情。是否可以放弃变压器,而只用二极管来实现全波整流呢?可以在半波整流电路的基础上尝试一下。
首先,电源电压正向时,半波整流电路满足要求:
当电源电压变为负向时,D1截止,须增加新的二极管D2提供通路。为时D2导通,且使负载电压极性一致,D2正极接电源的瞬时正极,D2的负极接RL的正端,如下图:
但是,上面的电路还是无法正常工作,因为从电源瞬时正极经D2,再到RL没有去往电源瞬时负极的线路,所以先强行连接电源瞬时负极和负载RL的负极试试:
很快发现上面的电路电源被短路了,因此必须增加二极管D3,既是电路流通,又不会短路:
可是,上面的电路又出现了新的问题:D3将瞬时负电源短路了。灵机一动,为保证瞬时正电源流通,又防止瞬时负电源短路,可在最下方支路增加二极管D4,其正极接负载RL负端,其负极接前面的瞬时正电源的负极,且看下图:
至此,原则上,全波桥式整流电路构造完毕。但又发现这图太丑了,不妨拓扑变化如下,以示美观:
可以发现:桥式整流,对二极管的极性而言,异极性相连接交流,同极性相连接负载。
至此,整流电路的构造逻辑论述完毕,受控(可控硅)整流水稍深,以后有机会再尝试进行逻辑构造。