# 交流电整流

> 物理 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u25-ac-rectification/

本模块讲解二极管如何将交流电（AC）转换为稳定直流电（DC），该过程称为整流。你将学习半波、全波、桥式整流的设计，以及获得稳定直流输出所需的滤波技术，这是CIE A-Level考试的常见考点。

**先修:** [二极管I-V特性以及正向/反向偏置](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-uxx-semiconductor-diodes/); [交流电峰值和频率基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u25-ac-fundamentals/)

## 学习目标

- 解释使用二极管进行交流电整流的目的
- 区分半波整流电路和全波整流电路
- 分析桥式整流和中心抽头整流的设计
- 计算整流后交流电的纹波电压和平均输出
- 解释滤波电容的作用

## 半波整流

**半波整流** — 一种简单的整流过程，仅允许输入交流电的半个周期通过负载，产生脉动直流输出。基础电路仅需要一个二极管。

*例:* 用于低功率应用，例如简易电池涓流充电器

该电路由一个交流电源、一个串联二极管和一个负载电阻$R_L$组成。正半周期时，二极管正向偏置导通，因此电流流过负载。负半周期时，二极管反向偏置，因此无电流流过，输出电压为零。

**例题:** 一个峰值12V、频率50Hz的交流电源连接到带1kΩ负载的半波整流器。忽略二极管正向压降，计算峰值电流和平均（直流）输出电压。

1. 步骤1：使用欧姆定律计算峰值电流：

   $$I_{peak} = \frac{V_{peak}}{R_L} = \frac{12}{1000} = 0.012\ \text{A} = 12\ \text{mA}$$
2. 步骤2：使用半波整流的平均电压公式：

   $$V_{avg} = \frac{V_{peak}}{\pi} = \frac{12}{3.142} \approx 3.82\ \text{V}$$

> **考试提示:** 当要求绘制输出波形图时，记住负半周期被削为零，而不是反转。

## 全波中心抽头整流

**全波整流** — 一种利用输入交流电的两个半周期产生输出的整流过程，相比半波整流，平均电压更高，纹波更小。

中心抽头全波整流使用两个二极管和一个带中心抽头次级绕组的变压器。每个半周期都有一个二极管导通，电流始终以相同方向流过负载。

**例题:** 一个中心抽头变压器的次级每一半绕组提供峰值为10V的电压，求整流后的平均输出电压。

1. 步骤1：回忆全波整流的平均电压公式：

   $$V_{avg} = \frac{2 V_{peak}}{\pi}$$
2. 步骤2：代入$V_{peak} = 10$ V：

   $$V_{avg} = \frac{2 \times 10}{3.142} \approx 6.37\ \text{V}$$

## 全波桥式整流

桥式整流是工业界最常用的全波整流设计。它使用四个按桥型连接的二极管，不需要中心抽头变压器，因此更便宜、更紧凑。

**桥式整流器** — 一种由四个二极管组成的全波整流电路，无论输入是正半周期还是负半周期，电流都以相同方向流过负载。

**例题:** 在桥式整流器中，当输入端A为正、B为负时，说明哪些二极管导通，并描述电流路径。

1. 当A为正、B为负时，连接A（输出正端）和B（输出负端）的两个二极管正向偏置导通。
2. 电流路径为：$A \rightarrow \text{Diode 1} \rightarrow \text{Load } R_L \rightarrow \text{Diode 2} \rightarrow B$
3. 负半周期时（B为正，A为负），另外两个二极管导通，电流仍然以相同方向流过负载。

> **考试提示:** 务必检查二极管方向：所有二极管都必须指向正输出端。

## 电容滤波

整流输出是脉动直流电，存在较大的电压波动，称为纹波。将滤波电容并联在负载两端可以减小纹波，产生接近稳定的直流输出。输出电压高时电容充电至峰值，两个峰值之间输出电压低时电容通过负载缓慢放电。

**峰峰值纹波电压** — 经过滤波的整流输出中最大电压和最小电压的差值。更大的电容和更高的负载电阻会产生更小的纹波。

**例题:** 一个50Hz的全波整流输出，负载的平均电流为0.15A，使用1000μF的滤波电容，估算峰峰值纹波电压。

1. 步骤1：对于全波整流，纹波频率为$2f$，因此近似公式为：

   $$V_{r(pp)} \approx \frac{I_{avg}}{2fC}$$
2. 步骤2：代入数值（$C = 1000 \times 10^{-6}$ F）：

   $$V_{r(pp)} = \frac{0.15}{2 \times 50 \times 1000 \times 10^{-6}} = 1.5\ \text{V}$$

## 常见错误

- **错误做法:** 桥式整流中二极管方向画错
  - 原因: 这会导致输入端短路或输出电压为零
  - 正确做法: 所有二极管都必须指向正输出端，每个输入端连接两个二极管
- **错误做法:** 混淆半波和全波整流的平均电压公式
  - 原因: 全波利用了两个半周期，因此相同输入峰值下，全波的平均电压是半波的两倍
  - 正确做法: Half-wave: $V_{avg} = V_{peak}/\pi$, Full-wave: $V_{avg} = 2V_{peak}/\pi$
- **错误做法:** 将滤波电容与负载串联连接
  - 原因: 串联电容会阻隔直流，因此无法产生稳定的输出电压
  - 正确做法: 始终将滤波电容并联在负载两端
- **错误做法:** 半波整流输出画出负电压
  - 原因: 负半周期没有电流流动，因此输出电压为零
  - 正确做法: 正半周期输出等于输入，负半周期输出为零
- **错误做法:** 认为全波整流的纹波频率低于输入交流电
  - 原因: 全波整流每个输入周期产生两个输出峰值，因此纹波频率是输入频率的两倍
  - 正确做法: Half-wave: ripple frequency = input frequency, Full-wave: ripple frequency = 2 × input frequency

## 速查表

| 特性 | 半波整流 | 全波（中心抽头） | 全波（桥式） |
| --- | --- | --- | --- |
| 二极管数量 | 1 | 2 | 4 |
| 平均输出电压 | $V_{peak}/\pi$ | $2V_{peak}/\pi$ | $2V_{peak}/\pi$ |
| 纹波频率 | $f$ | $2f$ | $2f$ |
| 需要中心抽头变压器 | No | Yes | No |
| 纹波大小（未滤波） | 大 | 小 | 小 |

## 下一步

交流电整流是所有AC-DC功率转换的基础，所有使用市电供电的电子设备都应用了该技术。CIE A-Level物理经常将整流与电容放电、均方根电压计算、二极管特性等其他考点结合，因此梳理这些概念之间的联系能帮助你解决多步骤考题。掌握输出波形绘制、纹波电压和平均输出电压计算是在这个常见考点中拿到满分的关键。

- [量子物理学](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u26-overview/)
- [光电效应](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u26-photoelectric-effect/)
- [波粒二象性](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u26-wave-particle-duality/)

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来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u25-ac-rectification/