二極體電橋(英語:diode bridge)是用四個或四個以上的二極體組成的電橋電路組態,不論輸入電壓的電極性是正是負,輸出都可以維持相同的極性。
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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的變壓器,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。二極體電橋是由波蘭電機工程師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]。
在積體電路普及之前,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
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,因此都可以形成迴路。
整流器
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。
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]。
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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。例如用電池供電的設備,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,即使電池不小心裝反,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。
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電壓平滑化
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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,因為漣波電壓會以廢熱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帶通濾波器或帶阻濾波器,也可以用穩壓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。濾波器可能很簡單,例如一個夠大的電容器或是扼流圈,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,無效交流電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,無效交流電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稽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
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。
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二極體切換技術及snubber電路
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。緩衝電路就是用來避免這類的問題。緩衝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
- 1N400x通用型二極體,也稱為整流二極體
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