2008全國地區(qū)高三物理競賽電學(xué)資料：《整流和濾波》

1、§5.4 整流和濾波541、整流把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程叫做整流，通圖5-4-1圖5-4-2常是利用二極管的單位導(dǎo)電特性來實現(xiàn)整流目的，一般的整流方式為半波整流、全波整流、橋式整流。（1）半波整流如圖5-4-1所示電路為半波整流電路，B是電源變壓器，D是二極管，R是負載。當變壓器輸出正弦交流時，波形如圖5-4-2甲所示，當0時，二極管D正向?qū)?，設(shè)正向電阻為零，則。當0時，在交流負半周期，二極管處于反向截止狀態(tài)，所以R上無電流，變化如圖5-4-2所示?？梢奟上電壓是單方向的，而強度是隨時間變化的，稱為脈動直流電。 圖5-4-3圖5-4-4（2）全波整流全波整流是用二個二極管、分別完成

2、的半波整流實現(xiàn)全波整流，如圖5-4-3所示，O為變壓器中央抽頭，當0時，導(dǎo)通，截止，當0時截止，導(dǎo)通，所以R上總是有從上向下的單向電流，如圖5-4-4所示。（3）橋式整流圖5-4-5橋式整流電路如圖5-4-5所示，當0時， 、處于導(dǎo)通狀態(tài)，、處于反向截止，而當0時，、處于導(dǎo)通，、反向截止，流經(jīng)R的電流總是從上向下的脈動直流電，它與全波整流波形相似。所不同的是，全波整流時，二極管截止時承受反向電壓的最大值為，而橋式整流二極管截止時，每一個承受最大反向電壓為。542、濾波圖5-4-6圖5-4-7交流電經(jīng)整流后成為脈動直流電，其電流強度大小仍隨時間變化。為了使脈動電流為比較平穩(wěn)的直流，需將其中脈動成

3、份濾去，這一過程稱為濾波。濾波電路常見的是電容濾波、電感濾波和型濾波。圖5-4-8圖5-4-6為電容濾波電路，電解電容C并聯(lián)在負載R兩端。由于脈動直流可看作是穩(wěn)恒直流和幾個交流電成份疊加而成，因而電容器的隔直流通交流的性質(zhì)能讓脈動直流中的大部分分交流中的大部分流成份通過電容器而濾去。使得R上獲得比較平穩(wěn)的直流電，如圖5-4-7所示。電感線圈具有通直流阻交流的作用，也可以作為濾波元件，如圖5-4-8所示電路中L與R串聯(lián)，電壓交流成份圖5-4-9的大部分降在電感線圈上，而L的電阻很小，電壓的直流成份則大部分降在負載電阻上，因此R上電壓、電流都平穩(wěn)就多，圖5-4-9所示。把電容和電感組合起來，則可以

4、組成濾波效果更好的型濾波器，如圖5-4-9所示。 §5、5 例題1、氖燈接入頻率、電壓為120V的交流電路中共10分鐘，若氖燈點燃和熄滅電壓，試求氖燈的發(fā)光時間。圖5-4-9圖5-4-10分析: 氖燈發(fā)光時電壓應(yīng)為瞬時值，而接入交流電電壓120V是為有效值。所以要使氖燈發(fā)光，須使交流電電壓瞬時值。解: 氖燈管兩端電壓瞬時值為其中，由于交流電周期性特點，如圖5-4-10所示，在半個周期內(nèi)氖燈發(fā)光時間，則有：燈點熄和熄滅時刻，有120=120則在0時間內(nèi)，有在一個周期T內(nèi)，氖燈發(fā)光時間所以在10分鐘時間內(nèi)，氖燈發(fā)光時間應(yīng)占通電時間的一半為5分鐘。圖5-4-112、三相交流電的相電壓為22

5、0V，負載是不對稱的純電阻，連接如圖5-4-11所示，試求：（1）中線電流。（2）線電壓。分析: 有中線時，三相交流三個相變電壓的相位彼此差，振幅相同，因負載為純電阻，三個線電流的相位也應(yīng)彼此相差，因負載不對稱，三個線電流振幅不同，但始終有。解: （1）有中線時，三個相電壓，彼此相差為，表達式為三個線電流、為：，則有中線電流得： 所以中線電流。圖5-4-12（2）線電壓、應(yīng)振幅相等，最大值皆為，有效值為380V，彼此相差為。3、如圖5-4-12所示的電路中，三個交流電表的示數(shù)都相同，電阻器的阻值都是100，求電感線圈L和電容C的大小。分析: 、表讀數(shù)為電流的有效值，而通過電表的瞬時電流應(yīng)滿足：

6、借助于電流旋轉(zhuǎn)矢量關(guān)系可求解：解: 由電流關(guān)系有又三個電表讀數(shù)相等，由（1）推知，對應(yīng)電流旋轉(zhuǎn)矢量關(guān)系是 且， 由電路結(jié)構(gòu)可知，超前，滯后于且相位差都小于，由此超前于，且超前量，注意，所以合矢量為， ， 又：（并聯(lián)關(guān)系） 所以有 電流與端電壓間相位差有所以有 代入（3）式得：圖5-4-13圖5-4-144、某用電區(qū)總功率表的讀數(shù)和總電流表的讀數(shù)常常是16kW和90A左右，原因是電感性負載增大，總電流相位比總電壓相位落后較多造成的，導(dǎo)致功率因素過低，于是在該用電區(qū)輸入端并聯(lián)一只電容，結(jié)果使該電路的功率因素提高到了0.9，試問并聯(lián)這一電容規(guī)格如何？分析: 對于一個交流電路，電路的有功功率為，為電流

7、與電壓相差，則稱為電路的功率因素，由于電路中感性元件較多，因而電流總比電壓落后較大相為，如圖5-4-13所示，并聯(lián)電容C后，電容器支路電流超前電壓，使干路電流與U落后相差減小，從而提高功率因素。解: 原來的有功功率，所以功率因素設(shè)并聯(lián)電容C，相應(yīng)旋轉(zhuǎn)矢量由圖5-4-14可得 ，代入得 取電容器耐壓值為350V，所以應(yīng)在輸入端并聯(lián)、350V的電容器。圖5-4-155、如圖5-4-15所示電路中，輸入電壓，直流電源電動勢。（1）求的波形；（2）將D反接后，又當如何？分析: 電阻與電源串聯(lián)，有分壓作用，二極管與電源串聯(lián)后，跨接在輸出端，與負載形成并聯(lián)關(guān)系，這樣的連接特點使電路具有削減波幅的功能。圖5

8、-4-16圖5-4-17解 （1）時，電勢，D處于反向截止，ab相當于斷路，>時，電勢，D處于正向?qū)顟B(tài)，ab間相當于短路，輸出電壓的頂部（）被削去，如圖5-4-16所示。（2）當D反接時，如圖5-4-17所示，當時，D截止，；當時，D被導(dǎo)通，ui低于的部分全部被削去，輸出波形成為底部在處的正脈動電壓，如圖5-4-18所示。6、如圖5-4-19所示電路中，電源內(nèi)阻可略，電動勢都是30V，。將K依次圖5-4-18圖5-4-19圖5-4-20接“1”和“2”時，各電阻上的電流強度是多少？兩點誰的電勢高？分析 一般情況下，我們總是認為二極管為理想情形，正向?qū)〞r，反向截止時，為斷路。解 （1

9、）K接1時，靠直流電源供電，此時導(dǎo)通，截止。有（2）K接“2”時，交流電源供電，、交替的導(dǎo)通和截止，設(shè)，如圖5-4-20所示。在正半周期，導(dǎo)通，通過電流在負半周期，導(dǎo)通，截止，通過的電流由于始終有電流通過，所以、的電流如圖5-12甲、乙、丙所示。的電流有效值圖5-4-21只有在半個周半個周期內(nèi)通電流，所以可求得其有效值。在正半周期 在負半周期 =所以d、c兩點間總有7、如果回旋加速器的高頻電源是一個LC振蕩器，加速器的磁感強度為B。被加速的帶電粒子質(zhì)量m、帶電量為q，那么LC振蕩電路中電感L和電容C的乘積LC為何值？分析: 帶電粒子子回旋周期加速器中旋轉(zhuǎn)一周兩次通過狹縫被加速，所以應(yīng)使粒子在磁

10、場中回旋周期與高頻電源周期相等。解: 帶電粒子在勻強磁場中做勻強磁場中做勻速圓周運動周期回旋加速器兩個D型盒上所接高頻電源是一個LC振蕩器，其振蕩周期滿足帶電粒子每次通過D型盒狹縫都被加速，應(yīng)有得到 8、在圖5-4-22所示的電路中，當電容器上電壓為零的各時刻，開關(guān)S交替閉合、斷開，畫出電感線圈L上電壓隨時間t持續(xù)變化的圖線，忽略電感線圈及導(dǎo)線上的電阻。分析: 在圖中所描繪的LC振蕩電路中。由于S的開閉，使得電容C不斷變化，回路電磁振蕩的周期、頻率以及電壓的振幅隨之發(fā)生變化。圖5-4-22解: 當S閉合，被短路，L和組成的振蕩電路的振蕩周期當S被打開時，、串聯(lián)，總電容C為它與L組成振蕩器振蕩周

11、期圖5-4-23因為忽略一切電阻，沒有能量損耗，故能量守恒，設(shè)當振蕩周期時交流電壓的最大值為U1和 U2，則由此得因為S是上電壓為零時刻打開和關(guān)閉的，所以L上電壓隨時間變化圖線如圖5-14所示。9、如圖5-4-24所示，正方形線圈abcd繞對稱在勻強磁場中勻速運動，轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)/分。若已知ab=bc=0.20米，匝數(shù)N=20，磁感應(yīng)強度B=0.2特，求：（1）轉(zhuǎn)動中的最大電動勢及位置：（2）從圖示位置轉(zhuǎn)過90。過程中的平均電動勢；圖5-4-24（3）設(shè)線圈是閉合的，總電阻R=10歐，線圈轉(zhuǎn)動過程中受到的最大電磁力矩及位置。分析: 這是一個以交流發(fā)電機為原型的計算題。根據(jù)導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的

12、公式，可計算出線圈中產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動勢；根據(jù)線圈中的磁通量的平均變化率，可計算線圈出線圈在轉(zhuǎn)動過程中受到磁力矩。解: （1）當線圈平面與磁場方向平行時，線圈的ab、cd邊切割磁感線的有效速度最大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大， 伏。（2）從圖示位置轉(zhuǎn)過90。過程中，線圈中發(fā)生的磁通量變化，經(jīng)歷的時間為，由法拉第電磁感應(yīng)定律解得平均感應(yīng)電動勢為 伏（3）當線圈平面與磁場方向平行時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大，產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大。此時線圈的ab、cd邊受到的安培力最大且與線圈平面垂直，因而磁力矩也就最大，牛米10、兩個完全相同的電熱器，分別通過如圖5-4-25甲和乙所示的電流最大值相等的方波交流電流和正弦交流電流，則這兩個電熱器的電功率之比是多少？圖5-4-25分析: 交流電通過純電阻R時，電功率，式中I是交流電的有效值。交流電的有效值是交流電流的最大值的，這一結(jié)論是