整流滤波电路实验一、实验简介现代工农业生产和日常生活中，广泛使用交流电。主要原因在于：与直流电相比，交流电在产生、输送和使用方面具有明显的优点和重大的经济意义。例如在远距离输电时，采用较高的电压可以减少线路上的损失。对于用户来说，采用较低的电压既安全又可降低电气设备的绝缘要求。这种电压的升高和降低，在交流供电系统中可以很方便而文经济地由变压器来实现。此外，异步电动机比起直流电动机来，具有构造简单、价格便宜，运行可靠等优点。在一些非用直流电不可的场合，如工业上的电解和电镀等，也可利用整流设备，将交流电转化为直流电。交流电的电压（或电流）随时间作周期性变化。实际上，所谓交流电包括各种各样的波形，如正弦波、方波、锯齿波等。本实验中，我们主要讨论正弦交流电。其原因在于，正弦交流电在工业中得到广泛应用，因为它在生产、输送和应用上比起直流电来有不少优点；此外，正弦交流电变化平滑且不易产生高次谐波，这有利于保护电气设备的绝缘性能和减少电气设备运行中的能量损耗。各种非正弦交流电都由各种频率的正弦交流电叠加而成，因此可用正弦交流电的分析方法来分析非正弦交流电。二极管是晶体二极管的简称，也叫半导体二极管，用半导体单晶材料（主要是锗和硅）制成，是半导体器件中最基本的一种器件，是一种具有单方向导电特性的无源半导体器件。利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。其中，整流二极管是将交流电能转变为直流电能的半导体器件之一，整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频整流电路。实验目的是测量二极管的正向和反向伏安特性关系，学习、了解整流滤波电路的基本工作原理，掌握交流电路基本特性（例如用傅氏分析法）及交流电各参数的测量方法。二、实验原理（一）二极管伏安特性从PN结的导电原理可知，只有在正向偏置条件下，二极管才处于导通状态，其伏安特性曲线如下图所示：
整流滤波电路实验 一、实验简介 现代工农业生产和日常生活中，广泛使用交流电。主要原因在于：与直流电 相比，交流电在产生、输送和使用方面具有明显的优点和重大的经济意义。例如 在远距离输电时，采用较高的电压可以减少线路上的损失。对于用户来说，采用 较低的电压既安全又可降低电气设备的绝缘要求。这种电压的升高和降低，在交 流供电系统中可以很方便而又经济地由变压器来实现。此外，异步电动机比起直 流电动机来，具有构造简单、价格便宜，运行可靠等优点。在一些非用直流电不 可的场合，如工业上的电解和电镀等，也可利用整流设备，将交流电转化为直流 电。 交流电的电压(或电流)随时间作周期性变化。实际上，所谓交流电包括各种 各样的波形，如正弦波、方波、锯齿波等。本实验中，我们主要讨论正弦交流电。 其原因在于，正弦交流电在工业中得到广泛应用，因为它在生产、输送和应用上 比起直流电来有不少优点；此外，正弦交流电变化平滑且不易产生高次谐波，这 有利于保护电气设备的绝缘性能和减少电气设备运行中的能量损耗。各种非正弦 交流电都由各种频率的正弦交流电叠加而成，因此可用正弦交流电的分析方法来 分析非正弦交流电。 二极管是晶体二极管的简称，也叫半导体二极管，用半导体单晶材料（主要 是锗和硅）制成，是半导体器件中最基本的一种器件，是一种具有单方向导电特 性的无源半导体器件。利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变 换成单一方向的脉冲直流电。其中，整流二极管是将交流电能转变为直流电能的 半导体器件之一，整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击 穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯 单晶硅制造。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作 频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频整流电路。 实验目的是测量二极管的正向和反向伏安特性关系，学习、了解整流滤波电 路的基本工作原理，掌握交流电路基本特性(例如用傅氏分析法)及交流电各参数 的测量方法。 二、实验原理 （一）二极管伏安特性 从 PN 结的导电原理可知，只有在正向偏置条件下，二极管才处于导通状 态，其伏安特性曲线如下图所示：
IIVVt二极管伏安特性曲线图1.正向特性指外加正向偏置电压时的二极管特性，即外加电压V>0。当0<V<Vth时，正向电流为零；当V>Vth时，开始出现正向电流，伏安特性曲线可表示为I = lo(ekT - 1)式中I.可用测量的反向电流Is代替，V为所加电压，T为热力学温度，e为电子电量（1.6022×10-19C），k为波尔兹曼常数。硅二极管的死区电压Vth=0.6V左右；锗二极管的死区电压Vth=0.2V左右。2.反向特性指外加反向偏置电压时的二极管特性，即外加电压V<0。当VBR<V<0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流Is。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。3.击穿特性二极管反向击穿并不一定意味着器件完全损坏。二极管击穿分为：电击穿和热击穿。如果是电击穿，则外电场撤消后器件能够恢复正常，如果是热击穿，则意味着器件损坏，不能再次使用。工程实际中的电击穿往往伴随着热击穿；电击穿分雪崩击穿、齐纳击穿两种。（二）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：
二极管伏安特性曲线图 1. 正向特性 指外加正向偏置电压时的二极管特性，即外加电压V＞0。 当0＜V＜Vth时，正向电流为零；当V＞Vth时，开始出现正向电流，伏安 特性曲线可表示为 I = I0(e eV kT − 1) 式中I0可用测量的反向电流IS代替，V 为所加电压，T 为热力学温度，e 为 电子电量（1.6022 × 10−19C），k 为波尔兹曼常数。 硅二极管的死区电压Vth＝0.6 V左右；锗二极管的死区电压Vth = 0.2V左 右。 2. 反向特性 指外加反向偏置电压时的二极管特性，即外加电压V < 0。 当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此 时的反向电流也称反向饱和电流IS。 当V ≥ VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。 3.击穿特性 二极管反向击穿并不一定意味着器件完全损坏。二极管击穿分为：电击穿 和热击穿。 如果是电击穿，则外电场撤消后器件能够恢复正常，如果是热击穿，则意 味着器件损坏，不能再次使用。工程实际中的电击穿往往伴随着热击穿；电击 穿分雪崩击穿、齐纳击穿两种。 （二）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：
u(）或(t)u(0)Uni(t)Up图6.2.1-1正弦交流电电压或电流曲线i(t)= I, sin(ot+@,)(1)u(t)=U,sin(ot +p2)由此可见，一个正弦交流电的特征表现在正弦交流电的大小、变化快慢及初始值三方面。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、平均值和有效值1）幅值：即峰值或最大值，记为U,或Ip，峰点电位之差称为“峰-峰值”记为Up-p和Ip-p。显然Up-p=2Up，Ip-p=2Ip。2）平均值：令i(t)，u(t)分别表示随时间变化的交流电流或交流电压，则它们的平均值分别为：i(t)dt(2)=u(t)dt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。其物理含义是指这一交流电通过电阻时产生的焦耳热与数值多大的直流电相当。有效值采用如下定义：2(t)dt=1V2(3)Tu(t)dt-U=[}2通常说的市电电压是220V，就是说它的有效值U=220V，因此它的峰值是
图 6.2.1-1 正弦交流电电压或电流曲线 ( ) sin( ) ( ) sin( ) 2 1 ω ϕ ω ϕ = + = + u t U t i t I t p p （1） 由此可见，一个正弦交流电的特征表现在正弦交流电的大小、变化快慢及初 始值三方面。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、平均值和有效值 1）幅值：即峰值或最大值，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Up−p = 2Up,Ip−p = 2Ip。 2）平均值：令i(t),u(t)分别表示随时间变化的交流电流或交流电压，则它们 的平均值分别为： ∫ ∫ = = T T u t dt T u i t dt T i 0 0 ( ) 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。其物理含义是指这一交流电通 过电阻时产生的焦耳热与数值多大的直流电相当。有效值采用如下定义： 2 ( ) ] 1 [ 2 ( ) ] 1 [ 2 1 0 2 2 1 0 2 p T p T U u t dt T U I i t dt T I = = = = ∫ ∫ （3） 通常说的市电电压是220V，就是说它的有效值U＝220V，因此它的峰值是
Up=2U~311V。表 6.2.1-1:常见交流电压的有效值、峰值和平均值的换算关系名称波形蜂值平均值有效值正弦被J510p半波正弦UF20YA全被正弦0US12方被Up锯齿被Up（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（）来表示。这三者之间的关系是：f-T(4)2元=2元0=A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(di或积分(i()at)也仍为同一频率的正弦交外，正弦交流电对于时间的导数dt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时的相位角()称为交流电的初相位或初相位角。它反映了正弦
Up = 2 U ≈ 311V。 表 6.2.1-1： 常见交流电压的有效值、峰值和平均值的换算关系 （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： f T T f π π ω 2 2 1 == = (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 dt tdi )( 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时的相位角(φ)称为交流电的初相位或初相位角。它反映了正弦
交流电的初始值。在实际电路中由于电流、电压之间相位的不同，使得电器的平均功率P=UIcosp（cosp称为功率因数),cosp越大，电路能量的利用率越高，损耗越少。功率因数是电力工业中需要考虑的一个重要问题，实际中多采用电容器补偿电感器件以提高整个电路的功率因数。（三）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u,4D0TIuo0I元2元3元图6.2.1-2半波整流电路及其波形图图6.2.1-2中D是二极管，R.是负载电阻。若输入交流电为(5)u;(t) = U, sinwt则，经整流后输出电压uo(t)为(一个周期内)：0≤t≤元U,sinot(6)uo(t) =0元≤01≤2元而其相应平均值(即直流平均值)为：uo(t)dt =-U,0.318U,（7)1o=元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。此时采用全波整流。全波桥式整流电路如下：
交流电的初始值。在实际电路中由于电流、电压之间相位的不同，使得电器的平 均功率P = UIcosφ（cosφ称为功率因数),cosφ越大，电路能量的利用率越高，损 耗越少。功率因数是电力工业中需要考虑的一个重要问题，实际中多采用电容器 补偿电感器件以提高整个电路的功率因数。 （三）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 半波整流电路及其波形图 图 6.2.1-2 中 D 是二极管，RL是负载电阻。若输入交流电为 ui(t) = Up sinωt (5) 则，经整流后输出电压u0(t)为(一个周期内)： ≤ ≤ ≤ ≤ = π ω π ω ω π 0 2 sin 0 ( ) 0 t U t t u t p (6) 而其相应平均值(即直流平均值)为： p T u t dt U p U T u 0.318 1 ( ) 1 0 0 = 0 = ≈ ∫ p (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。此时采用全波整流。 全波桥式整流电路如下：