皖西學院實驗講義（整流濾波）

1、 7/7 實驗十七 交流電與整流濾波電路的設計【實驗簡介】在現代工農業(yè)生產和日常生活中，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、輸送和使用方面具有明顯的優(yōu)點和重大的經濟意義。例如在遠距離輸電時，采用較高的電壓可以減少線路上的損失。對于用戶來說，采用較低的電壓既安全又可降低電氣設備的絕緣要求。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濟地有變壓器實現。此外，異步電動機比起直流電動機來，具有構造簡單、價格便宜，運行可靠等優(yōu)點。在一些非非直流電不可的場合，如工業(yè)上的電解和電鍍等，也可利用整流設備，將交流電轉化為直流電。交流電的電壓（或電流）隨時間作周期性變化。實際上，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。本實驗主要討論正弦交流電。其原因在于，正弦交流電在工業(yè)中得到廣泛應用，而且正弦交流電變化平滑且不易生產高次諧波，這有利于保護電氣設備的絕緣性能和減少電氣設備運行中的能量損耗。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，發(fā)明成果遠比人們耳熟能詳的愛迪生還多。1882年繼愛迪生發(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交流發(fā)電機。1891年他發(fā)明了高頻變壓器（“特斯拉”線圈），

3、現仍應用在無線電，電視機和其他電子設備中。此外，還發(fā)明了X線攝影技術、收音機、雷達、傳真機、真空管、霓虹燈管等。為了紀念他對科學技術的貢獻，磁感應強度單位命名為“特斯拉”。圖17-1尼古拉.特斯拉【實驗目的】掌握交流電路的基本特性及交流電各參數的測量方法。了解整流濾波電路的基本工作原理。【實驗儀器及裝置】數字萬用表、示波器、FB715-I型物理設計性實驗板、連接線、變壓器等圖17-2 物理設計性實驗板FB715-I型 物理設計性實驗裝置是以九孔萬用插板為核心，R、L、C元件及各種模擬、數字電路元件為模塊的系列實驗裝置，覆蓋了物理學中電學、電子學電路課程的實驗課題。本實驗用該裝置完成整流濾波電路

4、組裝，進行實驗設計測量。【實驗原理】交流電正弦交流電的表達式如下，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，正弦交流電的特征表現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）和初相位來確定。所以幅值、頻率和初相位被稱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,峰點電位之差稱為“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，平均值實際上是交流信號中直流分

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)有效值在實際應用中，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量設備的讀數均為有效值。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）來表示交變的快慢，也常常用角頻率（）來表示，這三者之間的關系是(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。整流和濾波整流電路的作用是將交流電轉換成直流電，嚴格地講是單方向大脈動直流電，而濾波電路的作用是把大脈動直流電處

6、理成平滑的脈動小的直流電。整流原理利用二極管的單向導電性可實現整流。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)則經整流后輸出電壓(t)為（一個周期內） (17-6)其相應的平均值（即直流平均值，又稱直流分量） (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周期的正弦信號。為了提高整流效率，使交流電的正負半周期信號都被利用，則應采用全波整流，現以全波橋式整流為例，其電路和相應的波形如圖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）經橋

7、式整流后的輸出電壓為（一個周期） （17-9）其相應直流平均值為 (17-10)由此可見，橋式整流后的直流電壓脈動大大減少，平均值比半波整流提高了一倍（忽略整流內阻時）(2)、濾波電路經過整流后的電壓（電流）仍然是有“脈動”的直流電，為了減少波動，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使脈動的直流電變成平穩(wěn)的直流電。如圖17-5所示為電容濾波器在帶負載電阻后的工作情況。設在時刻接通電源，整流元件的正向電阻很小，可略去不計，在t=時，達到峰值為。此后以正弦規(guī)律下降直到時刻，

8、二極管D不再導電，電容開始放電，緩慢下降，一直到下降一個周期。電壓上升到和相等時，即以后，二極管D又開始導通，電容充電，直到時刻。在這以后，二極管D又截止，又按上述規(guī)律下降，如此周而復始，形成了周期性的電容器充放電過程。在這個過程中，二極管D并不是在整個半周內都導通的，從圖上可以看到二極管D只在到段內導通并向電容器充電。由于電容器的電壓不能突變，故在這一小段時間內，它可以被看成是一個反電動勢（類似蓄電池）。 由電容兩端的電壓不能突變的特點，達到輸出波形趨于平滑的目的。經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忽略內阻時的波形【實驗內容及要求】分別按下列電路圖和表格完成實驗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 項目名稱輸入電壓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