详述二极管的整流原理
摘要二极管作为常用的分立元件,广泛应用在检波,整流,续流等电路中,在交流电转化为直流电的过程中,二极管由于其单向导通特性在构成整流器件后能将方向变化的电流改变为单一方向的电流。
本文通过对二极管理想化模型的建立，将二极管等效为开关：即正向偏置时等效为导通的开关，反向偏置时等效为断开的开关。
文中利用建立的等效模型对二极管构成整流电路进行分析，详细描述了由单一二极管构成半波整流电路到四个二极管构成的桥式整流电路的过程。
关键词二极管；整流；等效模型；半波整流；桥式整流
在模拟电子技术基础的课程中，会涉及到二极管特性及应用的讲解。
二极管具有检波，整流，续流等作用，是一种应用非常广泛的分立原件。
日常生活里面，我们常常面临电流的转化问题，市电提供的交流电有时不能直接的提供给我们的用电设备，需要一个转化的过程：降压，整流，滤波等。
二极管在这里面提供的就是整流的作用：即将方向变化的交流电通过二极管后转化为单一方向的电流，教材在这方面的内容上偏向于成形电路的经验式讲解，而忽略了整流电路的构成过程及相应二极管具体作用的讲解。
针对这种情况，提出二极管的理想化模型，并利该等效模型描述用一个二极管构成半波整流电路到四个二极管构成整流桥的推导过程。
1交流电向直流电的转化
交流电是电压幅值、方向随时间成周期性变化的电流类型。
而直流电是电压方向不随时间变化而改变的电流类型。
在交流电向直流电的转化中，首要考虑的是将交流电方向变化的电流转化为方向不变幅值变化的脉动电流。
在后续电路结构中再将脉动电流通过滤波等过程转化为平滑的直流电。
具体过程如图1所示。
图中a所示为低压交流电，b所示为脉动电流，c为直流电。
a转化为b的过程为整流作用，b转化为c的过程为滤波作用。
在整流作用中利用了二极管的单向导通特性。
2二极管的等效电路
a b c
图1交流电转化为直流电的过程
Fig.1.The process of alternating current into direct current
二极管是由单个PN结构成的半导体器件，具有单向导通特性，即正向偏置时二极管导通，反向偏置时二极管截止。
在实际应用中，为了便于分析，常在一定条件下，用线性原件所构成的电路来近似模拟二极管的特性，并用之取代电路中的二极管，称为二极管的等效电路或等效模型。
本文中根据器件外特性来构造等效电路，模型较简单，适于近似分析。
根据二极管的伏安特性曲线折线化，得到如图2。
图中粗实线为折线化伏安特性，表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零，称为理想二极管，用空心的二极管符号来表示。
在后面的描述中都将采用这种模型，根据模型还能进一步将二极管等效为开关，当二极管正向导通时，压降为零，电流为一定值，电流从阳极流入，阴极流出。
可以看作闭合的开关。
当二极管反向截止时，压降为一定值，电流值为零，可以看作断开的开关。
图2理想二极管与折线化伏安特性曲线及其等效原理图
Fig.2. Ideal diode volt-ampere characteristic curve and equivalent principle diagram
3半波整流
半波整流就是利用二极管的单向导通特性：在正向的时候，二极管等效为闭合的开
关，电流能够通过二极管。
反向时由于二极管等效为断开的开关，阻断了电流的通过，从而在RL得到只有一半波形的脉动电流，电路结构及整流波形如下图所示，半波整流虽然将方向变化的电流转化成了单一方向的脉动电流，但是这种改变是基于人为的削去了半个周期的波形，能量利用率低，因此考虑将方向反向时的半个周期的电流引入到负载电阻RL上。
图3半波整流电路及其波形
Fig.3. Half-wave rectifier circuit and the output waveform
4全波整流
在上文中分析了半波整流的过程，由于其能量利用率低，考虑将反向时的半个波形也加载到负载RL上，只要保证电流流入负载的方向保持一致,电流在负载上形成的效果就是相同的。
下图所示中，分别为交流电正半周期和负半周期的电路结构，可以看出负
图4正向整流电路和逆向整流电路
Fig.4.Forward loop and reverse loop
载上流经的电流方向是一致的，即电流效果一致。
这样就达到了正半周期和负半周期都在负载引入了相同电压的结果。
在图4右图中，为什么也要使用二极管呢？直接用导线连接也能达到相同的效果呀。
我们可以将正半周期和负半周期的电路图合并在一幅图上，得到下图，图5中实线和实心箭头为正向时的电路结构和电流方向，虚线和空心箭头为反向时的电路结构和电流方向，由图可以看出作用在负载上的电流方向一致，电流
作用效果也一致。
从图中也能够看出，在负半周期时如果如前文所述直接用导线代替，就会造成正半周期时电流经过VD1以后直接回到了负极，将负载短路。
而VD2在负半周期时正向导通使电流流经负载回到负极；在正半周期时处于反向截止，B点与D点看作
图5全波整流结构演进1
Fig.5.The process of Full-wave rectifier structure evolution1
开路，电流会经过负载回到负极。
同样的，VD1也在负半周期时起到了相同的作用，两个二极管起到了规定电流方向由高电位到低电位流动的“单行道”的作用。
当然现在这个电路结构并没有完善。
观察不难发现，如果按照这个电路结构，A点和C点直接相连将正负极短路，所以A点到C点的支路上同样需要一个二极管构成“单行道”。
A点接入
图6全波整流结构演进2
Fig.6.The process of Full-wave rectifier structure evolution2
VD3的阴极，C点接入VD3的阳极，这样正半周期时A点与C点之间开路，正负极不会短路。
得到图6，但是在负半周时，由于C点电位高于A点电位，会将负载短路。
因此也需要加入二极管VD4使其截止，如图7。
VD4的阴极与D’连接，阳极与C点连接，这
样在负半周期时D’点与C点开路，避免了负载被VD3短路。
所以总结起来，VD1与VD2起到了在正半周期和负半周期内导通电流，并且在对方的导通作用中起到截止作用，避免负载短路，因此必须成对出现，缺一不可。
VD3与VD4导通流经负载电流回到负极构成回路，同时在对方的导通作用中起到反向截止的作用，避免负载被短路。
同样需要成对出现，缺一不可。
四个二极管构成了特殊的“单行道”，使电流在不同的时间段内按
图7全波整流结构
Fig.7. Full-wave rectifier structure
照电路设计的结构流动。
以BC为轴将VD2和VD4两支路向右翻折，化简电路可以得到我们常见的电路结构。
图8桥式整流结构及输出波形
Fig.8. Bridge rectifier structure and the output waveform
这是我们通常所说的桥式整流电路，A,D两点随时间周期性变化电压方向经过整流作用后从B,C传输给负载，并且B,C两点的电压方向保持不变，实现了整流作用。
输出波形如上，可见在负半周期的波形被翻折到了正向，电能利用率高于半波整流。
观察输入电路两端A,D。
不难发现，为了兼顾导通与截止两个特性，A,B两点所连接的二极管的一端的极性必然是相反的。
B点为负载的电流流入端，相连的二极管端脚极性必然相同——都为阴极。
C点为负载电流流出端，相连的二极管端脚都是阳极。
抓住这几点，对于了解结构原理及记忆很有帮助。
从另一角度看，交流电方向随时间变化。
为了构成回路，同一个输出端例如A端必然要分出两条支路：一条电流流出，一条电流流入，与其相连的必然是一个为阴极一个为阳极，与前文分析一致。
根据以上分析还可以扩展到三相交流电整流结构的建立,如下图。
这里就不再对过程赘述了。
图9三相桥式整流电路结构
Fig.9. Three-phase bridge rectifier circuit structure
本文利用构造的二极管的等效模型，对二极管构成的整流电路的过程进行了分解描述，由于采用理想化模型，实际应用中应根据电路结构参数选取合适的器件。
参考文献
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