交流電及整流濾波電路

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：交流電及整流濾波電路張賀 PB07210001一、實(shí)驗(yàn)題目： 交流電及整流濾波電路二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?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(cè)量方法。了解整流濾波電路的基本工作原理。三、實(shí)驗(yàn)儀器: 示波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字多用表、電路板四、實(shí)驗(yàn)原理：1.交流電路正弦交流電的表達(dá)式如下。 （1）幅值、頻率和初相位被稱為正弦交流電的三要素。(1)幅值峰值或最大值，記為UP或IP，峰點(diǎn)電位之差稱為“峰-峰值”，記為UP-P和IP-P。顯然。(2)平均值:令i(t)、u(t)分別表示時(shí)間變化的交流電流和交流電壓，則它們的平均值分別為 （2）這里T是周期，平均值實(shí)際上就是交流信號(hào)中直

2、流分量的大小，所以圖所示的正弦交流電的平均值為0。(3)有效值在實(shí)際應(yīng)用中，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(cè)量設(shè)備的讀數(shù)均為有效值。有效值采用如下定義： （3）(4)周期與頻率正弦交流電通常用周期（T）或頻率（f）來表示交變的快慢，也常常用角頻率（）來表示，這三者之間的關(guān)系是 （4）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。此外，正弦交流電對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)（）或積分（）也仍為同一頻率的正弦交流電。這在技術(shù)上具有十分重要的意義。(5)初相位交流電t=0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始值。2.整流和濾波整流電路

3、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)小的直流電。（1） 整流原理利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?shí)現(xiàn)整流。1） 半波整流圖6.2.1-2中D是二極管，RL是負(fù)載電阻。若輸入交流電為 （5）則經(jīng)整流后輸出電壓u0(t)為（一個(gè)周期內(nèi)） u0(t)= 0 （6）其相應(yīng)的平均值（即直流平均值，又稱直流分量） （7）2） 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(hào)。為了提高整流效率，使交流電的正負(fù)半周信號(hào)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6.2.1-3所示。若輸入交流電仍為 （8）則經(jīng)橋

4、式整流后的輸出電壓u0(t)為（一個(gè)周期） （9）其相應(yīng)直流平均值為 （10）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)）。（2） 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，為了減少被波動(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。1） 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)的直流電。我們已經(jīng)知道電容器的充、放電原理。圖6.2.1-4所示為電容濾波器在帶負(fù)載電阻后的工作情況。設(shè)在t0時(shí)刻接通電源，整流元件的正向電阻很小，可略去不計(jì)，在t=t1時(shí)，UC達(dá)到峰值為。此后Ui以正

5、弦規(guī)律下降直到t2時(shí)刻，二極管D不再導(dǎo)電，電容開始放電，UC緩慢下降，一直到下一個(gè)周期。電壓Ui上升到和UC相等時(shí)，即t3以后，二極管D又開始導(dǎo)通，電容充電，直到t4。在這以后，二極管D又截止，UC又按上述規(guī)律下降，如此周而復(fù)始，形成了周期性的電容器充電放電過程。在這個(gè)過程中，二極管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D只在t3到t4段內(nèi)導(dǎo)通并向電容器充電。由于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(shì)（類似蓄電池）。由電容兩端的電壓不能突變的特點(diǎn)，達(dá)到輸出波形趨于平滑的目的。經(jīng)濾波后的輸出波形如圖6.2.1-5所示。2） 型RC濾波前述電容濾波的輸出波

6、形脈動(dòng)系統(tǒng)仍較大，尤其是負(fù)載電阻RL較小時(shí)。除非將電容容量增加（實(shí)際應(yīng)用時(shí)難于實(shí)現(xiàn)）。在這種情況下，要想減少脈動(dòng)可利用多級(jí)濾波方法，此時(shí)再加一級(jí)RC低通濾波電路，如圖6.2.1-6所示，這種電路也稱型RC濾波電路。由圖可見，型RC濾波是在電容濾波之后又加了一級(jí)RC濾波，使得輸出電壓更平滑（但輸出電壓平均值要減少）。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.測(cè)量交流電壓選擇信號(hào)發(fā)生器（XD-8）的頻率為500Hz，測(cè)出信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓。(1)用數(shù)字多用表測(cè)量電壓的有效值，計(jì)算峰-峰值。(2)用示波器觀察及測(cè)量其電壓峰-峰值，計(jì)算有效值，畫出波形圖。(3)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軸坐標(biāo)，數(shù)字多用

7、表讀數(shù)作y軸坐標(biāo)），計(jì)算相對(duì)誤差。2.整流波形的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)電路如圖6.2.1-7所示(1)用數(shù)字多用表分別測(cè)量半波整流和全波整流的輸入電壓Ui、輸出電壓U0，計(jì)算平均值。(2)分別畫出整流前、后的輸入、輸出波形圖。(3)用示波器測(cè)量半波整流和全波整流的輸入信號(hào)ui和輸出信號(hào)u0，計(jì)算平均值、有效值U0。3.濾波電路實(shí)驗(yàn)電路圖按圖6.2.1-4接線。(1)加濾波電容C，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出電壓，使Ui=5V，測(cè)U0。(2)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。六、數(shù)據(jù)處理：1.測(cè)量交流電的電壓：信號(hào)發(fā)生器頻率。(1)用數(shù)字多用表測(cè)量電壓的有效值，計(jì)算峰-峰值及相對(duì)誤差。1.1124

8、1.69342.46412.99484.16714.88195.22013.14634.78976.96958.470611.786313.808114.76471.06%0.63%0.44%0.58%0.29%0.30%0.24%(2)用示波器觀察及測(cè)量其電壓峰-峰值，計(jì)算有效值及相對(duì)誤差，畫出波形圖。3.184.827.008.5211.8213.8514.801.121.702.473.014.184.905.23相對(duì)誤差0.68%0.39%0.24%0.51%0.31%0.37%0.19%波形圖如下：(3)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軸坐標(biāo)，數(shù)字多用表讀數(shù)作y軸坐標(biāo)）

9、，計(jì)算相對(duì)誤差。用最小二乘法算直線斜率 (1)又 代入（1）式中得相對(duì)誤差2.整流波形的測(cè)量：(1)用數(shù)字多用表分別測(cè)量半波整流和全波整流的輸入電壓Ui、輸出電壓U0，計(jì)算平均值。輸入信號(hào)：，輸出信號(hào)平均值半波整流數(shù)字多用表ACV檔1.1728半波整流數(shù)字多用表DCV檔1.46211.49全波整流數(shù)字多用表ACV檔1.4672全波整流數(shù)字多用表DCV檔2.78613.02對(duì)于半波整流 平均值 對(duì)于全波整流 平均值 (2) 分別畫出半波整流和全波整流后的波形圖。半波整流后的波形圖：全波整流后的波形圖：(3) 用示波器測(cè)量半波整流和全波整流的輸入信號(hào)ui和輸出信號(hào)u0，計(jì)算平均值、有效值U0。輸入

10、信號(hào)：，輸出信號(hào)平均值有效值半波整流示波器測(cè)交流成分4.701.492.35半波整流示波器測(cè)直流成分1.52全波整流示波器測(cè)交流成分4.743.023.35全波整流示波器測(cè)直流成分2.84對(duì)于半波整流 平均值 有效值 對(duì)于全波整流 平均值 有效值 3.濾波電路的測(cè)量：(1)加濾波電容C，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出電壓，使Ui=5V，測(cè)U0。輸入信號(hào)：，輸出信號(hào)(數(shù)字多用表測(cè))輸出信號(hào)(示波器測(cè))ACV檔40.852交流成分164.0DCV檔4.389直流成分4.30(2)用示波器觀察，并畫出波形圖。4.誤差分析：(1)各儀器的系統(tǒng)誤差。(2)示波器的讀數(shù)誤差。5.實(shí)驗(yàn)總結(jié)：本實(shí)驗(yàn)通過用數(shù)字多用表與示波器測(cè)多組數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有效值與峰值之間的轉(zhuǎn)換公式，并認(rèn)識(shí)了半波、全波濾波整流電路的作用及有效值、平均值、峰值的關(guān)系。七、思考題：1峰-峰值為1V的正