皖西學(xué)院實(shí)驗(yàn)講義（整流濾波）

1、 7/7 實(shí)驗(yàn)十七 交流電與整流濾波電路的設(shè)計(jì)【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】在現(xiàn)代工農(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，交流電在生產(chǎn)、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(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓既安全又可降低電氣設(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)中可以很方便而又經(jīng)濟(jì)地有變壓器實(shí)現(xiàn)。此外，異步電動(dòng)機(jī)比起直流電動(dòng)機(jī)來(lái)，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。在一些非非直流電不可的場(chǎng)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

2、謂交流電包括各種各樣的波形，如正弦波、方波、鋸齒波等。本實(shí)驗(yàn)主要討論正弦交流電。其原因在于，正弦交流電在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，而且正弦交流電變化平滑且不易生產(chǎn)高次諧波，這有利于保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣性能和減少電氣設(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（用傅立葉分析法），因此可以用正弦交流電的分析方法來(lái)分析非正弦交流電。交流電之父尼古拉.特斯拉尼古拉.特斯拉，美籍塞爾維亞人。他一生的發(fā)明不可勝數(shù)，發(fā)明成果遠(yuǎn)比人們耳熟能詳?shù)膼?ài)迪生還多。1882年繼愛(ài)迪生發(fā)明直流電后不久，就發(fā)明了交流電，并制造出世界上第一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)。1891年他發(fā)明了高頻變壓器（“特斯拉”線圈），

3、現(xiàn)仍應(yīng)用在無(wú)線電，電視機(jī)和其他電子設(shè)備中。此外，還發(fā)明了X線攝影技術(shù)、收音機(jī)、雷達(dá)、傳真機(jī)、真空管、霓虹燈管等。為了紀(jì)念他對(duì)科學(xué)技術(shù)的貢獻(xiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度單位命名為“特斯拉”。圖17-1尼古拉.特斯拉【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆战涣麟娐返幕咎匦约敖涣麟姼鲄?shù)的測(cè)量方法。了解整流濾波電路的基本工作原理?！緦?shí)驗(yàn)儀器及裝置】數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、FB715-I型物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)板、連接線、變壓器等圖17-2 物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)板FB715-I型 物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)裝置是以九孔萬(wàn)用插板為核心，R、L、C元件及各種模擬、數(shù)字電路元件為模塊的系列實(shí)驗(yàn)裝置，覆蓋了物理學(xué)中電學(xué)、電子學(xué)電路課程的實(shí)驗(yàn)課題。本實(shí)驗(yàn)用該裝置完成整流濾波電路

4、組裝，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)原理】交流電正弦交流電的表達(dá)式如下，其曲線如圖17-3所示。圖17-3正弦交流電電壓和電流曲線 (17-1)由此可見(jiàn)，正弦交流電的特征表現(xiàn)在正弦交流電的大小、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(lái)確定。所以幅值、頻率和初相位被稱(chēng)為正弦交流電的三要素。幅值、平均值和有效值eq oac(,1)幅值 峰值或最大值，記為,峰點(diǎn)電位之差稱(chēng)為“峰-峰值”，記為和。顯然,。eq oac(,2)平均值 令i(t) 、u(t)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 （17-2）這里T是周期，平均值實(shí)際上是交流信號(hào)中直流分

5、量的大小，所以圖17-2所示的正弦交流電的平均值為0.eq oac(,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(lái)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： (17-3)周期與頻率正弦交流電通常用周期（T）或頻率（f）來(lái)表示交變的快慢，也常常用角頻率（）來(lái)表示，這三者之間的關(guān)系是(17-4)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。初相位 交流電時(shí)的相位（）稱(chēng)為交流電的初相位。它反映了正弦交流電的初始值。整流和濾波整流電路的作用是將交流電轉(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

6、理成平滑的脈動(dòng)小的直流電。整流原理利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?shí)現(xiàn)整流。eq oac(,1)半波整流如圖17-3所示中TR是交流變壓器，D是二極管，是負(fù)載電阻。若輸入交流電為圖17-4 半波整流電路及其波形圖 (17-5)則經(jīng)整流后輸出電壓(t)為（一個(gè)周期內(nèi)） (17-6)其相應(yīng)的平均值（即直流平均值，又稱(chēng)直流分量） (17-7)eq oac(,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)半周期信號(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17-4所示。圖17-5 橋式整流電路和波形圖若輸入交流電為 （17-8）經(jīng)橋

7、式整流后的輸出電壓為（一個(gè)周期） （17-9）其相應(yīng)直流平均值為 (17-10)由此可見(jiàn)，橋式整流后的直流電壓脈動(dòng)大大減少，平均值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(guò)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，常用的電路有電容、電感濾波等。先介紹最簡(jiǎn)單的濾波電路。eq oac(,1)電容濾波電路圖17-6 全波整流電容濾波器 電容濾波器是利用電容充放電來(lái)使脈動(dòng)的直流電變成平穩(wěn)的直流電。如圖17-5所示為電容濾波器在帶負(fù)載電阻后的工作情況。設(shè)在時(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=時(shí)，達(dá)到峰值為。此后以正弦規(guī)律下降直到時(shí)刻，

8、二極管D不再導(dǎo)電，電容開(kāi)始放電，緩慢下降，一直到下降一個(gè)周期。電壓上升到和相等時(shí)，即以后，二極管D又開(kāi)始導(dǎo)通，電容充電，直到時(shí)刻。在這以后，二極管D又截止，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放電過(guò)程。在這個(gè)過(guò)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只在到段內(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(lèi)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17-6所示。濾波后的波形濾波前的波形0圖177忽略?xún)?nèi)阻時(shí)的波形【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求】分別按下列電路圖和表格完成實(shí)驗(yàn)220V6V圖（1）半波整流電路220V6V6V圖（2）全波整流電路220vV6V圖（3）全波橋式整流電路220V6V10K圖（4）全波橋式整流濾波電路220V6V降壓整流濾波穩(wěn)壓+-+-7805圖（5）全波橋式整流濾波穩(wěn)壓電路1、半波整流、全波整流、穩(wěn)壓電路 項(xiàng)目名稱(chēng)輸入電壓Ui輸入電壓波形輸出電壓Uo輸出電壓波形半波整流全波整流全波橋式整