AC-DC整流桥电路及整流桥后输入电容的“地”为什么是“热地”

落叶纷飞

一、AC-DC整流桥电路

1.1 AC-DC整流桥电路的作用

当我们需要使用交流电源来驱动电子设备时，通常需要使用AC-DC整流桥电路将交流电转换为直流电。AC-DC整流桥电路可以将交流电的正负两个半周都转换为直流电，并在输出端产生一个带有直流电平的电压波形。

AC-DC整流桥电路通常由四个二极管和一些滤波元件组成。其中两个二极管是正向接通的，另外两个二极管是反向接通的。正向接通的二极管在交流电的正半周期内将电流传导到负极，反向接通的二极管在交流电的负半周期内将电流传导到正极。这样就可以将交流电转换为直流电。

在设计AC-DC整流桥电路时，需要考虑到输入电流和输出电压的需求。为了保证输出电压的稳定性，通常需要加入电容滤波器，以减小输出电压的纹波。

AC-DC整流桥电路具有高效、稳定和可靠的特点。在许多领域中，如电源适配器、电池充电器、电机驱动器、LED驱动器、太阳能逆变器和交流调压器等，都需要使用AC-DC整流桥电路。

1.2 AC-DC整流桥电路的重要性

AC-DC整流桥电路在现代电子技术中扮演着非常重要的角色。它可以将交流电转换为直流电，使得电子设备得以工作。以下是AC-DC整流桥电路的几个重要性：

提供直流电源：大多数电子设备需要使用直流电源来工作，例如电脑、手机、电视等等。而在家庭、商业和工业应用中，交流电是普遍的电源形式。因此，需要将交流电转换为直流电才能满足电子设备的需求。

稳定输出电压：AC-DC整流桥电路可以通过加入滤波元件来减小输出电压的纹波，从而保证输出电压的稳定性。这对于需要高质量电源的电子设备非常重要。

高效能：AC-DC整流桥电路具有高效的特点，可以将交流电转换为直流电并在输出端产生一个带有直流电平的电压波形。这减少了电能的浪费，从而提高了整个系统的效率。

应用广泛：AC-DC整流桥电路在电源适配器、电池充电器、电机驱动器、LED驱动器、太阳能逆变器和交流调压器等领域都有广泛的应用。它是电子电路设计中非常基础和重要的一部分，掌握它的设计和实现方法，对于电子工程师和爱好者来说非常必要。

因此，AC-DC整流桥电路的重要性不仅在于它可以提供直流电源，还在于它的稳定性、高效能和广泛应用。

2. 桥式整流电路的原理

2.1 二极管原理

在二极管的P-N结中，P型半导体和N型半导体之间形成了一个电势垒。当二极管的正极连接到P型半导体，负极连接到N型半导体时，这个电势垒将阻止电流通过，即二极管处于截止状态。

当二极管的正极连接到N型半导体，负极连接到P型半导体时，这个电势垒将允许电流通过，即二极管处于导通状态。在导通状态下，电流可以从N型半导体流入P型半导体，也可以从P型半导体流入N型半导体，取决于外部电路的连接方式。

具体来说，在二极管处于导通状态时，电子从N型半导体中的导带 (即价带) 流入P型半导体中的空穴带 (即导带) 中。当电子和空穴相遇时，它们会重新结合并释放出能量。这个能量可以以热或光的形式散失掉，也可以通过外部电路提取出来。

在实际应用中，二极管经常用来进行整流，即将交流电转换为具有直流分量的脉动电压。在整流电路中，二极管可以使电流只能从正极流入，而不能从负极流入，从而实现交流电的单向导通。

2.2 半波整流电路

半波整流电路是一种简单的电子电路，它由隔离变压器、一个二极管、一个负载电阻和一个电源组成，如下图所示：



其中变压器主要是为了安全起见，将220V交流电与人隔离。下面介绍半波整流电路的原理：

当电源为正极性时，二极管处于导通状态，电流从电源的正极流入负载电阻，然后流回电源的负极。这个过程中，电流只能在一个半周中流动，所以它被称为半波整流。在负半周，电源的极性反转，此时二极管处于截止状态，负载电阻不再受电流驱动，电压为0。

因此，半波整流电路的输出电压是交流电的正半周，其峰值等于输入交流电的峰值减去二极管的导通电压；其有效值等于输入电压的有效值×0.45 。在实际应用中，半波整流电路常用于低功率直流电源和信号检测电路中。



需要注意的是，由于半波整流电路只利用了输入交流电的正半周，因此其输出电压存在较大的脉动，无法提供稳定的直流电压。为了得到更稳定的输出电压，我们可以使用全波整流电路。

2.3 桥式整流电路

桥式整流电路是一种常用的直流电源电路，可以将交流电信号转换为纯直流电信号。与半波整流电路相比，桥式整流电路具有更高的效率和更低的波纹系数，因此在实际应用中更为常见。



桥式整流电路由四个二极管和一个负载组成，其原理是利用二极管的单向导电特性，将交流电信号的正半周和负半周分别矩形化，再通过电容滤波，获得纯直流输出。具体来说，当输入交流电信号的正半周时，D1和D2导通，而D3和D4截止；当输入交流电信号的负半周时，D3和D4导通，而D1和D2截止。如此交替进行，便可实现从交流电信号到纯直流电信号的转换。

桥式整流电路在没有电容滤波时的输出电压有效值为输入电压有效值的0.9倍，如果有大容量电容的滤波电路，有负载的条件下，输出的直流电压平均值就是输入的正弦交流电压有效值的1.2倍（经验值），空载情况下，输出的直流电压平均值就是输入的正弦交流电压有效值的1.41倍，接近正弦交流电压的最大值。

桥式整流电路的优点在于可以利用输入电压的全部部分，从而实现更高的效率和更低的波纹系数，同时还具有较好的稳定性和可靠性。不过，由于需要使用四个二极管，因此电路成本较高，尤其是当需要承受较大电流时，需要使用功率较大的二极管，进一步增加了成本和复杂度。

3. AC-DC整流桥电路的设计

AC-DC整流桥电路电路图如下：



下面介绍电路图中元器件参数特性：

10A10是一款常用的整流二极管，它的主要参数如下：

最大正向电流（I_FAV）：10A，表示该二极管能够承受的最大正向电流。

最大反向电压（V_RRM）：1000V，表示该二极管能够承受的最大反向电压，超过该电压将会击穿二极管，导致电路故障。

正向电压降（V_F）：1.1V，表示二极管导通时的正向电压降，即当二极管正向导通时，其两端的电压降低了 1.1V。

最大正向浪涌电流（I_FM）：200A，表示该二极管在导通瞬间能够承受的最大正向浪涌电流。

反向漏电流（I_R）：5μA，表示该二极管在反向偏置时的漏电流，即在反向偏置下，该二极管的反向电流值。

热阻（Rthj-c）：4℃/W，表示该二极管的导热性能，即当二极管工作时，从 PN 结到外部导热介质之间的热阻。

桥式整流电路中滤波电容的选取需要根据负载电流和电压纹波要求来确定。一般来说，滤波电容的容值越大，输出电压的纹波就越小。但是，滤波电容的容值过大，会导致电路的启动电流过大，甚至烧毁整流桥。

通常情况下，可以根据下列公式来计算桥式整流电路中滤波电容的最小容值：

C = I / (f * V_ripple)

其中，C是滤波电容的容值，单位是法拉（F）；I是负载电流，单位是安培（A）；f是电路的交流输入频率，单位是赫兹（Hz）；V_ripple是电压纹波的最大允许值，单位是伏特（V）。

一般来说，滤波电容的容值取决于电路输出电压的大小和纹波电压的容许度。例如，如果电路输出电压为12伏特，纹波电压容许度为1伏特，且负载电流为1安培，那么可以通过上述公式计算出，最小滤波电容的容值为83.3微法（uF）左右。

这里经过计算，选择1000UF 100V电容作为滤波。

4. 总结

AC-DC整流桥电路是一种常用的电路，可以将交流电信号转换为直流电信号。它由四个二极管组成，通常使用在低功率和中功率应用中。在这个电路中，电流只能单向流动，因此可以确保输出的直流电压始终保持在一个恒定的水平。

通过半波整流电路和全波整流电路的比较，我们可以发现桥式整流电路具有以下优点：

输出直流电压纹波小，稳定性好。桥式整流电路中有两个二极管在同时工作，因此输出电压的波形更平稳，电压纹波更小，输出电压更稳定。

效率高。桥式整流电路可以在全交流周期内都工作，因此能够更充分地利用输入电源，提高电路的效率。

噪音小。桥式整流电路中的二极管交替导通，因此在工作时没有噪声产生，可以减少电源和输出负载之间的干扰。

需要注意的是，在桥式整流电路中，滤波电容的选取非常重要，它可以减少输出电压的纹波，并提高电路的稳定性。滤波电容的值应该根据负载电流的大小来选择，一般建议选取比负载电流大10倍的容值。此外，由于桥式整流电路需要四个二极管，因此电路的成本可能会比半波整流电路高一些。

综上所述，桥式整流电路是一种常用的AC-DC转换电路，具有输出稳定、效率高和噪声小等优点，可以在多种低功率和中功率应用中使用。在实际应用中，需要根据具体的情况进行选型和设计，以满足要求的输出电压和电流。

二、分享一下AC-DC转换后输入电容的“地”为什么是“热地”

做电源研发的小伙伴一定听说过不要接错地，整流桥后面电容的地和大地不可以接到一起，否则会引起短路。今天才想明白这个问题，记录一下，如有不对也希望大家指正。

首先来看一下AC-DC的原理图（全波整流）：



我们来看一下输入端AC220V时整流桥的动作过程：

1、当AC220V为正半周期时，整流桥后的滤波电容C4的地是与零线N相连的，此时滤波电容C4的地和大地是连接的。

如下图：



2、当AC220V为负半周期时，整流桥后的滤波电容C4的地是与火线L相连的，此时滤波电容C4的地和火线相连。

如下图：



我们已知大地（PE）的电位是0V，那么从大地看C4的负极（GND）的电压波形就是下面蓝色线这样的：



从上图我们可以看出来，全波整流时，滤波电容C4的GND相对于大地（PE）是有电压的，

所以将两者接到一起的话当然会引起短路啦。

所以全波整流后的GND也是很危险的哦~ 这可能也是称作“热地”的原因吧。

我们在继续看一下非隔离BUCK电路原理图：



我们可以看到低压12V输出的GND和输入端滤波电容的GND是相连接的，所以在非隔离式样的BUCK电路中，输入端为全波整流情况下，低压侧的地也是“热地”，很危险的哦~

再看一下隔离式样的BUCK原理图：



我们可以看到，低压输出侧的GND与输入滤波电容的GND是隔离开的，低压侧相当于由副边绕组供电（可以把副边绕组看做一个电池），此时低压侧的地相当于悬空的（浮地），此时低压侧是比较安全的，那么低压侧的GND应该可以与大地相连接的吧~

以上说的是全波整流状态，我们再来想一下，如果是半波整流的情况呢？

AC负半周期时，回路没有通路，滤波电容C4的GND相当于悬空，待到AC正半周期到来时有会重新与大地（PE）连接,

那么在半波整流的电路中，整流后的地貌似就安全了，实际是这样么？

我觉得如果火线和零线跟电网连接是正确的时候没问题，是安全的。

但是。。。一旦我们插头接反了，也就是电路中的火线L接到了电网中N,N接到电网的L,（实际使用中很可能出现这种情况）

此时整流后的地就连接到电网的火线上了。。。所以也是很危险的。

所以半波整流后的地也是“热地”，很危险呐

最后总结一下：

1、不论是全波整流还是半波整流，整流后的地都是“热地”

2、“热地”跟大地之间是有电压的，不能接到一起，会短路。

3、非隔离式DCDC转换后的电源地也是“热地”。

4、隔离式DCDC转换后低压侧的地是“浮地”，我觉得“浮地”是可以和大地连接的。