交流电路与整流滤波电路

交流电及整流滤波电路一．实验目的本实验的目的是掌握交流电路的基本特性及交流电各参数的测量方法。了解整流滤波电路的基本工作原理。二．实验原理1．交流电路正弦交流电的表达式如下，其曲线如图6.2.1-1所示。)sin()()sin()(21tUtutItiPP（2）由此可见，正弦交流电的特性表现在正弦交流电的大小、变化快慢及初始值方面。而它们分别由幅值（或有效值）、频率（或周期）和初相位来确定。所以幅值、频率和初相位被称为正弦交流电的三要素。（1）幅值、频率值和有效值1）幅值峰值或最大值，记为UP或IP，峰点电位之差称为“峰-峰值”，记为UP-P和IP-P。显然PPPPPPIIUU2,2。2）平均值令i(t)、u(t)分别表示时间变化的交流电流和交流电压，则它们的平均值分别为TTdttuTudttiTi00)(1)(1（2）这里T是周期，平均值实际上就是交流信号中直流分量的大小，所以图6.2.1-1所示的正弦交流电的平均值为0。3）有效值在实际应用中，交流电路中的电流或电压往往是用有效值而不是用幅值来表示。许多交流电流或电压测量设备的读数均为有效值。有效值采用如下定义：TPPTUdttuTUIdttiTI021202122])(1[2])(1[（3）（2）周期与频率正弦交流电通常用周期（T）或频率（f）来表示交变的快慢，也常常用角频率（ω）来表示，这三者之间的关系是fTTf221（4）需要指出的是：同频率正弦交流电的和或差均为同一频率的正弦交流电。此外，正弦交流电对于时间的导数（dttdi)(）或积分（dtti)(）也仍为同一频率的正弦交流电。这在技术上具有十分重要的意义。（3）初相位交流电t=0时的相位（φ）称为交流电的初相位。它反映了正弦交流电的初始值。2．整流和滤波整流电路的作用是把交流电转换成直流电，严格地讲是单方向大脉动直流电，而滤波电路的作用是把大脉动直流电处理成平滑的脉动小的直流电。（1）整流原理利用二极管的单向导电性可实现整流。1）半波整流图6.2.1-2中D是二极管，RL是负载电阻。若输入交流电为tUtuPisin)(（5）则经整流后输出电压u0(t)为（一个周期内）u0(t)=tUPsint002t（6）其相应的平均值（即直流平均值，又称直流分量）TPPUUdttuTu000318.01)(1（7）2）全波桥式整流前述半波整流只利用了交流电半个周期的正弦信号。为了提高整流效率，使交流电的正负半周信号都被利用，则应采用全波整流，现以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如图6.2.1-3所示。若输入交流电仍为tUtuPisin)(（8）则经桥式整流后的输出电压u0(t)为（一个周期）tUutUuPPsinsin0020tt（9）其相应直流平均值为TPPUUdttuTu000637.02)(1（10）由此可见，桥式整流后的直流电压脉动大大减少，平均电压比半波整流提高了一倍（忽略整流内阻时）。（2）滤波电路经过整流后的电压（电流）仍然是有“脉动”的直流电，为了减少被波动，通常要加滤波器，常用的滤波电路有电容、电感滤波等。现介绍最简单的滤波电路。1）电容滤波电路电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电。我们已经知道电容器的充、放电原理。图6.2.1-4所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。设在t0时刻接通电源，整流元件的正向电阻很小，可略去不计，在t=t1时，UC达到峰值为iU2。此后Ui以正弦规律下降直到t2时刻，二极管D不再导电，电容开始放电，UC缓慢下降，一直到下一个周期。电压Ui上升到和UC相等时，即t3以后，二极管D又开始导通，电容充电，直到t4。在这以后，二极管D又截止，UC又按上述规律下降，如此周而复始，形成了周期性的电容器充电放电过程。在这个过程中，二极管D并不是在整个半周内都导通的，从图上可以看到二极管D只在t3到t4段内导通并向电容器充电。由于电容器的电压不能突变，故在这一小段时间内，它可以被看成是一个反电动势（类似蓄电池）。由电容两端的电压不能突变的特点，达到输出波形趋于平滑的目的。经滤波后的输出波形如图6.2.1-5所示。2）π型RC滤波前述电容滤波的输出波形脉动系统仍较大，尤其是负载电阻RL较小时。除非将电容容量增加（实际应用时难于实现）。在这种情况下，要想减少脉动可利用多级滤波方法，此时再加一级RC低通滤波电路，如图6.2.1-6所示，这种电路也称π型RC滤波电路。由图可见，π型RC滤波是在电容滤波之后又加了一级RC滤波，使得输出电压更平滑（但输出电压平均值要减少）。三．实验内容1．测量交流电压（或电流）选择信号发生器（XD-8）的频率为500Hz，测出信号发生器15V挡从1V~15V的输出电压。（1）用数字多用表测量电压的有效值，计算峰-峰值。（2）用示波器观察及测量其电压峰-峰值，计算有效值，画出波形图。在坐标纸上画出上面两组数据曲线（示波器读数作x轴坐标，数字多用表读数作y轴坐标），计算相对误差。2．整流波形的测量，实验电路如图6.2.1-7所示（1）用数字多用表分别测量半波整流和全波整流的输入电压Ui、输出电压U0，计算平均值0u。（2）用示波器观察半波整流和全波整流的输入信号ui和输出信号u0，分别画出ui、u0的图形。（3）用示波器测量半波整流和全波整流的输入信号ui和输出信号u0，计算平均值0u、有效值U0。3．滤波电路实验电路图按图6.2.1-4接线。（1）不加滤波电容C，调节信号发生器输出电压，使Ui=5V，测U0。（2）加滤波电容C，调节信号发生器输出电压，使Ui=5V，测U0。实验按图6.2.1-6电路接线。调节信号发生器输出电压，使Ui=5V，测U0。（3）用示波器观察两个滤波电路的输入、输出波形，画出波形图。四．实验数据及处理1．测量纯正弦交流电的电压信号发生器的输出信号为：500Hz、电压分别如下：(1)用数字万用表测量电压的有效值，计算峰—峰值(2)用示波器观测峰—峰值，计算有效值，画出波形图。（1a）U有效值(万用表ACV挡)/V0.711.422.132.823.544.264.965.66（1b）Up-p（计算值）/V2.014.026.027.9710.0112.0514.0316.01|(1b)-(2a)|/(2a)相对误差/%0.50.50.30.40.010.40.20.06（2a）Up-p(示波器测)2.004.006.008.0010.0012.0014.0016.00（2b）U有效值(计算值)0.711.412.122.833.544.244.955.66|(2b)-(1a)|/(1a)相对误差/%00.70.50.400.50.20用original作图如下：斜率的相对误差)22/1/(22/1k，从图中数据读出k=0.35393，故有：1/22/1/220.353931/22/1/220.001kk2．峰峰值是10V的纯正弦交流电，经半波、全波整流后的波形测量（1）用数字万用表测量半、全波整流的输出端电压，并对比理论计算值根据公式：222=+UUU有效直流有效交流有效计算得下列表格（理论计算值：）计算输出端信号的交流、直流成分有效值以及总有效值输入端信号Ui输出端信号Uo理论计算值（对比）设定：f=500HzUp-p=10.0VU有效值=3.54V半数字万用表ACV档1.77V交流成分总有效值=1.93V半数字万用表DCV档1.63V直流成分=1.59V半波总有效值(交流+直流)=2.41V，理论为2.50V全数字万用表ACV档1.58V交流成分总有效值=1.54V全数字万用表DCV档2.98V直流成分=3.18V全波总有效值(交流+直流)=3.37V，理论为3.53V（2）用示波器测量半、全波整流后的输出端电压输入端信号Ui输出端信号Uo设定：f=500HzUp-p=10.0VU有效值=3.54V示波器测交流成分(电压峰幅度)半Up=4.65V示波器测直流成分电压(DC/AC)半Uo(直流成分)=1.42V示波器测交流成分(电压峰幅度)全Up=4.60V示波器测直流成分电压(DC/AC)全Uo(直流成分)=2.70V（3）分别画出整流前、后的输入、输出波形图用mathematica7.0作图如下：整流前的波形图：0.0040.0020.0020.0044224经半波整流波形图：0.0040.0020.0020.0041234经全波整流波形图：0.0040.0020.0020.00412343．滤波电路测量（全波整流条件下）(1)不加电容（略）(2)加电容；测量数据如下表：输入信号Up-p=10v输出信号Uo（万用表测）输出信号Uo（示波器测）设定：f=500HzUp-p=10.0VU有效值=V加电容Uo（ACV档）=44mVUo（DCV档）=4.38V1)示波器测交流成分变化的最大幅度：0.17V2)示波器测直流成分(DC/AC)=4.4V画出滤波后的大致波形：画出输出端波形图(见交上附图)4．总结：在输入端正弦交流信号相同、不变的情况下，从半波整流、到全波整流、再到滤波，电路输出端的直流、交流成分的变化规律是什么？五．实验小结1.由于本次实验是电学实验，需要用仪器完成，电学仪器灵敏度很高，故实验中主要是靠自己摸索使用仪器，需要耐心与洞察力；2.实验中切记仪器接线及整流滤波线路的接线的正负极不能接反；3.由于实验所测数据较多，且有许多微调过程测量过程中一定要仔细细心；4.接线处一定要检查接触良好，否则会因为有干扰信号导致图像不清晰和实验错误。六．思考题1．峰-峰值为1V的正弦波，它的有效值是多少？答：根据正弦波有效值公式，有1=0.352222ppUVUV有效2．整流、滤波的主要目的是什么？答：由于在实际生活中，电网提供的一般是正弦交流电，而在不同场合对电需求的类型是不同的，经常会需要直流电的，整流是为了将电路中的交流电转换成直流电，而滤波电路的作用是把大脉动直流电处理成平滑的脉动小的直流电。