交流電及整流濾波電路計(jì)算

1、在現(xiàn)代共農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，廣泛地使用著交流電。主要原因是與直流 電相比，交流電在產(chǎn)生、輸送和使用方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和重大的經(jīng)濟(jì)意義。 例 如在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，采用較高的電壓可以減少線路上的損失。 對丁用戶來說，采 用較低的電壓既安全乂可降低電器設(shè)備的絕緣要求。這種電壓的升高和降低，在 交流供電系統(tǒng)中可以很方便而乂經(jīng)濟(jì)地由變壓器來實(shí)現(xiàn)。 此外，異步電動(dòng)機(jī)比起 直流電動(dòng)機(jī)來，具有構(gòu)造簡單、價(jià)格便宜，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。在一些非用直流電 不可的場合，如工業(yè)上的電解和電鍍等，也可利用整流設(shè)備，將交流電轉(zhuǎn)化為直 流電。 交流電的電壓(或電流)隨時(shí)間作周期性變化。實(shí)際上，所謂交流電包括各 種各樣的波形，如正

2、弦波、方波、鋸齒波等。本實(shí)驗(yàn)中，我們主要討論正弦交流 電。其原因在丁，正弦交流電在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，它在生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用 上比起直流電來有不少優(yōu)點(diǎn)，而且正弦交流電變化平滑且不易產(chǎn)生高次諧波， 這 有利丁保護(hù)電器設(shè)備的絕緣性能和減少電器設(shè)備運(yùn)行中的能量損耗。 另外各種非 正弦交流電都可由不同頻率的正弦交流電疊加而成(用傅里葉分析法) ，因此可 用正弦交流電的分析方法來分析非正弦交流電。 本實(shí)驗(yàn)的目的是掌握交流電路的基本特性及交流電各參數(shù)的測量方法。 了解 整流濾波電路的基本工作原理。 假設(shè)交流電 U(t)=AsintU(t)=Asint 與直流電 U(t)=BU(t)=B 給電阻 R R 的

3、做功能力相同 那么就說 B B 為交流電壓 AsintAsint的有效值. 在 0 0- -2 2 兀的時(shí)間內(nèi)交流電功率的積分/ (Asint)(Asint)A A2dt/R=2dt/R= 兀 A AA A2/R2/R 而這段時(shí)間內(nèi)直流電所做的功為 2 2 兀 BA2/RBA2/R 因此 瓦 AA2/R=2TT BA2/R,A=sqrt(2)*BBA2/R,A=sqrt(2)*B 或者說有效電壓值 B=A/sqrt(2)B=A/sqrt(2) 實(shí)驗(yàn)原理 交流電路 正弦交流電的表達(dá)式如下，其曲線如圖 6.2.16.2.1- -1 1 所示。 iQ) = I= I, sin, sin(況+ 啊)

4、u(t) = U sinsin 伽 + 陽) 由此可見，正弦交流電的特征表現(xiàn)在整弦交流電的大小、 變化快慢及初始值三方 面。而它們分別由幅值（或有效值）、頻率（或周期）和初相位來確定。所以幅 值、頻率、初相位被稱為正弦交流電的三要素。 幅值、平均值和有效值 -幅值 -峰值”，記為 平均值 分別表示隨時(shí)間變化的交流電流和交流電壓，則它們的 平均值分別為 這里 HIHI 是周期，平均值實(shí)際上就是交流信號中直流分量的大小，所Li I u (f)dt 峰值或最大值，記為 峰點(diǎn)電位之差稱為“峰 顯然 0 以圖 6.2.16.2.1- -1 1 所示的正弦交流電的平均值為 0 0 -有效值 在實(shí)際應(yīng)用中，

5、交流電路中的電流或電壓往往是用有效值而不是用 幅值來表示。許多交流電流或電壓測量設(shè)備的讀數(shù)均為有效值。有 效值采用如下定義： 周期與頻率 正弦交流電通常用周期 圖或頻率以來表示交變的快慢，也常常用角頻率 回來表示，這三者之間的關(guān)系是 需要指出的是：同頻率正弦交流電的和或差均為同一頻率的正弦交流電 率的正弦交流電。這在技術(shù)上具有十分重要的意義。 初相位 始值 整流和濾波 此外，正弦交流電對丁時(shí)間的倒數(shù) 也仍為同 交流電 時(shí)的相位 稱為交流電的初相位。它反映了正弦交流電的初 整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，嚴(yán)格地講是單方向大脈動(dòng)直流 電，而濾波電路的作用是把大脈動(dòng)直流電處理成平滑的脈動(dòng)小的直

6、流電 整流原理 利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?shí)現(xiàn)整流。 -半波整流 圖 6.2.16.2.1- -2 2 中 D D 是二極管, 是負(fù)載電阻。若輸入交流電為 0 at 2 其相應(yīng)的平均值（即直流平均值，乂稱直流分量） -全波橋式整流 前述半波整流只利用了交流電半個(gè)周期的正弦信號。為了提高整流 濾波效率，使交流電的正負(fù)半周信號都被利用，則應(yīng)采用全波整流, 現(xiàn)以全波橋式整流為例，其電路和相應(yīng)的波形如圖 6.2.16.2.1- -3 3 所示:ui ( ) = Up sin at 則整流后輸出電壓為（一個(gè)周期內(nèi)） 圖 6.2.1 3橋式整流電路和波形圖 若輸入交流電仍為 瑪(。=U, sin at 則經(jīng)

7、橋式整流后的輸出電壓為（一個(gè)周期） U sm out -Uv sin ajt 其相應(yīng)直流平均值為 由此可見，橋式整流后的直流電壓脈動(dòng)大大減少，平均電壓比半波 整流提高了一倍（忽略整流內(nèi)阻時(shí)）。 濾波電路 經(jīng)過整流后的電壓（電流）仍然是有“脈動(dòng)”的直流電，為了減少波動(dòng), 通常要加濾波器，常用的濾波電路有電容、電感濾波等?，F(xiàn)介紹最簡單 的濾波電路。 -電容濾波電路 電容濾波器是利用電容充電和放電來使脈動(dòng)的直流電變成平穩(wěn)的直(8)(8) 贏=! J J：! !(加 c |廣 637637。, (10)(10) 流電。我們已經(jīng)知道電容器的充、放電原理。圖 6.2.16.2.1- -4 4 所示為電容

8、期性的電容器充電放電過程。在這個(gè)過程中，二極管 D D 并不是在整 個(gè)半周內(nèi)都導(dǎo)通的，從圖上可以看到二極管 并向電容器充電。由丁電容器的電壓不能突變，故在這一小段時(shí)間 內(nèi)，它可以被看成是一個(gè)反電動(dòng)勢（類似蓄電池）。 由電容兩端的電壓不能突變的特點(diǎn)， 達(dá)到輸出波形趨丁平滑的目的 經(jīng)濾波后輸出的波形如圖 6.2.16.2.1- -5 5 所示濾波器在帶負(fù)載電阻后的工作情況。設(shè)在 件的正向電阻很小，可略去不記，在 達(dá)到峰值為 此后 以正弦規(guī)律下降直到時(shí)刻，二極管 D D 不再導(dǎo)電 電容開始 放電, 緩慢下降，一直到下一個(gè)周期 電壓 上升到和 相等時(shí), 以后，二極管 D D 乂開始導(dǎo)通，電容充電，直到

9、 在這以后, 乂按上述規(guī)律下降，如此周而復(fù)始，形成了周 時(shí)刻接通電源，整流元 時(shí), 即 二極管 D D 乂截止, （a）忽略內(nèi)阻時(shí)的波形 （b）考慮內(nèi)阻時(shí)的波痣 圖 6,2.1 5全波整流電容濾波電路的輸出波形 濾波 前述電容濾波的輸出波形脈動(dòng)系統(tǒng)仍較大，尤其是負(fù)載電阻 時(shí)。除非將電容容量增加（實(shí)際應(yīng)用時(shí)難丁實(shí)現(xiàn)）。在這種情況下, 出電壓更平滑（但輸出電壓平均值要減少） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測量交流電壓（或電流） 較小 要想減少脈動(dòng)可利用多級濾波方法，此時(shí)再加一級 RC 低通濾波電 路，如圖 6.2.16.2.1- -6 6 所時(shí)，這種電路也稱 RC 濾波電路 由圖可見, 濾波是在電容之后乂加了一級 濾

10、波，使得輸 選擇信號發(fā)生器（XDXD- -8 8 ）的頻率為 500Hz,500Hz,測出信號發(fā)生器 15V15V 擋從 1V1V- -15V 15V 的輸出電壓不加濾波電容 ,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓, 用數(shù)字多用表測量電壓的有效值，計(jì)算峰-峰值 用示波器觀察及測量其電壓峰峰值，計(jì)算有效值，畫出波形圖 在坐標(biāo)紙上畫出上面兩組數(shù)據(jù)曲線（示波器讀數(shù)作 x x 軸坐標(biāo)，數(shù)字多用表讀 數(shù)作 y y 作軸坐標(biāo)），計(jì)算相對誤差。 整流波形的測量，實(shí)驗(yàn)電路如圖 6.2.16.2.1- -7 7 所示 ，計(jì)算平均值 的圖形。 濾波電路 實(shí)驗(yàn)電路圖按圖 6.2.16.2.1- -4 4 接線 用數(shù)字多用表分別測

11、量半波整流和全波整流的輸入電壓 、輸出電壓 用示波器觀察半波整流和全波整流的輸入信號 和輸出信號 用示波器測量半波整流和全波整流的輸入信號 和輸出信號 ，計(jì)算平 實(shí)驗(yàn)按圖 6.2.16.2.1- -6 6 電路接線。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓，使 用示波器觀察兩個(gè)濾波電路的輸入、輸出波形，畫出波形圖。 測交流電路的頻率響應(yīng)和相位 讓圖 6.2.16.2.1- -8 8 所示的兩電路分別通過 1kHz1kHz、10kHz10kHz、100kHz100kHz 的交流信號，觀察 其輸出信號的幅度隨頻率變化的情況，以及輸出信號相位變化的情況。 圖 6.2.1 -8交流電測試電路 整流器特性 如果整流器具有

12、前面所描述的理想特性，那么無論在什么電壓下，整流平均 電壓都應(yīng)同交流電壓的幅度成正比。 也就是說，直流電壓表上的直流刻度和交流 電壓表上的交流刻度將只相差一個(gè)常數(shù)轉(zhuǎn)換因子。但實(shí)際上，常常只是在電壓足 夠高時(shí)直流電壓才與交流電壓近似成正比， 而在小電壓下，則更接近丁與交流電 壓的平方成正比。 變化的曲線?；钭⒁鈨烧叱烧鹊碾妷悍秶?。 加濾波電容 ,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓，使 I. I 按圖 6.2.16.2.1- -7 7 電路所示，用數(shù)字多用表測 ,并作直流電壓隨交流電壓 ；200 設(shè)計(jì)性內(nèi)容 自行設(shè)計(jì)方案將 220V 50HZ220V 50HZ 的電網(wǎng)電壓變成脈動(dòng)較小的 6V6V 直流電壓。 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn) 用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證正弦波交流電的有效值和峰-峰值之間理論上的關(guān)系。 通過整流濾波電路若十輸入、輸出電壓參數(shù)的測量，加深對半波整流 /濾波、 全波整流/濾波電路的工作原理的理解，并就實(shí)驗(yàn)過程中測量的數(shù)值和理論上 有所差異的現(xiàn)象，能給出合理的分析。 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn) 濾波電路的工作原理。 思考題 峰一峰值為 10 V10 V 的正弦波，它的電壓有效值是多少？在理論上，