基于MATLAB的半波整流电路仿真_李璀璀.pdf

2023 年 2 月 25 日第 7 卷第 4 期现代信息科技Modern Information Technology Feb.2023 Vol.7 No.454542023.022023.02收稿日期：2022-09-12基于 MATLAB 的半波整流电路仿真李璀璀，郑国庆，王景溢（华东光电集成器件研究所，江苏 苏州 215163）摘 要：文章描述了基于二极管的单向导通特性的半波整流电路的工作机理，并构建了半波整流电路的原理图。利用MATLAB 平台搭建了半波整流电路和半波整流滤波电路的模型并进行了仿真。仿真结果表明，半波整流电路的输出电压含有脉动成分，可运用电容滤波电路滤除。在满足电路设计要求的前提下，电容器的放电时间常数越大，电容器的容值越大，滤波效果越好。关键词：单向导通特性；整流；滤波；MATLAB中图分类号：TP391.9；TN31 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0054-04Simulation of Half Wave Rectifying Circuit Based on MATLABLI Cuicui,ZHENG Guoqing,WANG Jingyi(East China Institute of Optoelectronic Integrated Devices,Suzhou 215163,China)Abstract:This paper describes the working mechanism of the half-wave rectifying circuit based on the one-way electric conduction characteristic of the diode,and constructs the schematic diagram of the half-wave rectifying circuit.The models of half-wave rectifying circuit and half-wave rectiying filter circuit are built and simulated using MATLAB platform.The simulation results show that the output voltage of the half-wave rectifying circuit contains pulsating components,which can be filtered by the capacitor filter circuit.On the premise of meeting the circuit design requirements,the larger the discharge time constant of the capacitor,the larger the capacitance of the capacitor,and the better the filtering effect.Keywords:one-way electric conduction characteristic;rectifying;filtering;MATLAB0 引 言二极管具有单向导通特性，半波整流电路因此将交流电转换为脉动直流电1。电容滤波电路可滤除整流过程输出电压的脉动成分，在负载端得到波形比较平滑的直流电压。Simulink 软件包是 MATLAB 环境下的仿真工具，提供了易于调取的图形化功能模块。用户可以在此基础上创建仿真电路模型，利用 Simulink 菜单直接进行仿真，同时运用 Scope模块观察仿真波形。用户可以根据实际需要修改相关参数获取不同的仿真波形。描述了整流电路和电容滤波电路的工作机理，构建了半波整流滤波电路的原理图，对 MATLAB 和Power Systems 工具箱进行了介绍。基于 MATLAB/Simulink平台，利用 Power Systems 工具箱，通过点选和拖拽选用图形化的电路符号，逐步搭建半波整流电路和半波整流滤波电路并进行了仿真分析。1 机理概述整流将方向和大小都随时间改变的交流电转变为单方向的脉动直流电。二极管具有单向导电性，在整流电路的一个周期内呈现导通或截止状态2。在给二极管施加正电压时，阳极端电位高于阴极端电位，二极管导通，形成电流通路。当给二极管加反向电压时，阴极端电位高于阳极端电位，二极管呈关断状态。整流电路的输出电压与纯粹的直流电压差DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.04.014别很大，含有较大的脉动成分。为改善输出电压的平滑性，获得比较理想的直流电压，需要在整流电路和负载之间连入滤波电路。电容具有充放电特性，其两端电压不能突变。滤波电容是并联在整流电路的输出端，用以降低脉动电压，平滑直流输出的一种储能器件。滤波电容不仅减轻了脉动成分对电路的影响，同时还可吸收外部窜入的干扰，使得电子电路工作更加平稳。在电容滤波电路中，在输入电压上升时，电容器获得电能。当输入电压下降时，电容释放出存储的能量。此时，电容向负载释放电能，避免负载两端电压骤降，使得负载电压波形相对平滑，起到了平波的作用。2 原理图构建整流二极管内有一个 PN 结。施加电压使得 P 区相对于N 区为正，此时位垒减小，P 区与 N 区间能通过大电流，电压降落较小，称为正向导通状态。若外加电压使得 N 区相对于 P 区为正，此时位垒增大，反向电流很小，即反向阻断状态。所以，二极管具有显著的单向导电特性。图 1 和图 2 所示分别是半波整流电路和半波整流滤波电路。u1是变压器一次侧电压，u2是变压器二次侧电压。D 是整流二极管，RL是负载电阻，C 是滤波电容。io是流经整流二极管的电流，uo是负载两端电压，即输出电压。在半波整流滤波电路中，滤波电容处在整流二极管与负载之间，并联在了负载两端。假设变压器是理想线性变压器，在接下来的仿真中省去电压变换的环节，以输出电压已知的交流电源作为电路的电压源。55552023.022023.02第 4 期+-+-+-uoRLu1u2ioD图 1 半波整流电路uoRLu1u2io+-+-+-DC图 2 半波整流滤波电路3 仿真与分析3.1 MATLAB 软件介绍MATLAB 意为矩阵实验室，是由美国 Mathsworks 公司发布的高技术含量计算环境。在集成的视窗环境中，MATLAB 具有数值分析、矩阵计算以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多功能。3.2 Power Systems 工具箱介绍MATLAB 是 Mathworks 公司开发的一款功能强大的软件，最早用于科学计算。随着 MATLAB 功能的增强和应用范围的扩大，面向专门领域应用的工具箱被开发出来并不断完善。作为一款建立在MATLAB/Simulink平台上的工具箱，Power Systems主要应用于电力系统和电力电子电路的仿真。使用 Power Systems 工具箱，用户不需要学习复杂的软件命令且编写软件代码，可以将注意力只聚焦在物理模型本身，通过选用图形化的电路符号搭建电路进行仿真。这样降低了仿真的难度，提高了仿真的效率3。Power Systems 工具箱是在 Simulink 环境下进行电力电子系统建模和仿真的先进工具4。该工具箱中模块的数学模型基于成熟可靠的电磁方程和机电方程构建，允许通过简单的点选和拖拽产生，用标准的电气符号表示，构成了模型库。Power Systems 模型库是 Simulink 的一个专用模型库，用于 RLC 电路仿真，电力电子电路仿真，电力传动控制系统仿真和电力系统仿真等。模型库包含了电气网络中常见的元器件和设备，通过对这些元器件和设备的组合可以通过直观易懂的图形方式对电气系统进行模型描述。Power Systems模型库在电路分析领域的表现令人满意。Powergui 模块是 Power Systems 模型库中不可或缺的模块。用到该模型库中电气元件的电路模型需要添加 powergui模块，否则会报错。3.3 半波整流电路在 MATLAB/Simulink 平 台 上，利 用 Power Systems 工具箱搭建半波整流电路5，如图 3 所示。在 Power Systems/Specialized Technology/Fundamental Blocks 目录下，有 Electrical Sources，Elements，Measurements，Power Electronics 和powergui 等模型子库。交流电源，二极管，电阻，电容和电压表等取自这些子库。特别要注意的是，电路模型中需要放置 powergui 模块。图 3 中，交流电源 u2输出峰值 24 V 的正弦电压，即输入电源电压 ui。Diode1 是整流二极管，负载电阻 RL阻值 100。在 u2的正半周，二极管阳极端电位高于阴极端电位，二极管正向导通，产生电压降落，负载中有电流流过。在u2的负半周，二极管阴极端电位高于阳极端电位，二极管反向截止，电路中未形成通路，负载中没有电流通过。后续周期重复上述过程，负载两端始终输出正向电压，如图4 所示。这种电路只利用了电源电压的半个波，故称为半波整流电路。u2+RLv+-u0v+-uiScopeContinuouspowerguimakDiode1图 3 半波整流电路仿真模型u2uo00.51.01.52.02.53.03.54.0t(s)10-3-30-24-18-12-60612182430u(V)图 4 半波整流仿真波形3.4 空载条件下半波整流滤波电路由于半波整流电路的输出电压与直流悬殊较大，考虑采用电容进行滤波。当输出端空载时，在整流二极管右侧加入电容滤波电路。交流电源 u2-1输出峰值 24 V 的正弦电压，滤波电容容值 470 F。设初始条件下电容两端电压为零。电源接通后，在u2-1的上升阶段，二极管阴极侧电位低于阳极侧，二极管导通，滤波电容开始充电。二极管导通后存在电压降落，当 u2-1上升到最高点后，电容充电至交流电压峰值与二极管两端电压之差。此后，u2-1开始下降。由于电路输出端没有接负载，电容没有放电回路。故电容电压值不变。此时，电容电压大于交流电源电压，二极管承受反向电压而截止。在 u2-1的负半周，二极管承受反向电压，其阳极电位低于阴极电位。在这一时期，二极管保持截止状态，电路输出电压不变。如图5所示，输出电压uo-1在上升至最高点后保持稳定。李璀璀，等：基于 MATLAB 的半波整流电路仿真56562023.022023.02第 4 期现代信息科技u2-1uo-100.51.01.52.02.53.03.54.0t(s)10-3u(V)-30-24-18-12-60612182430图 5 空载条件下半波整流滤波电路仿真波形3.5 带载条件下半波整流滤波电路实际电路总要带上一定的负载。图 6 给出了半波整流电容滤波电路带电阻负载的仿真模型图。交流电源 u2-2输出峰值 24 V 的正弦电压，Diode3 是整流二极管，负载电阻 RL-1阻值 100，滤波电容 C2容值 470 F。交流电源接通后，二极管导通，除了一电流流向负载 RL-1外，还有一电流向电容 C2充电。电容两端电压，即负载两端电压，逐渐上升至交流电压峰值与二极管两端电压之差，输出正弦形式的电压波形。在交流电源电压达到峰值后，电压波形下行。此时电容 C2两端电压由于放电而逐渐下降。当交流电源电压小于电容两端电压时，二极管截止。此时，只有电容C2向RL-1放电，电压下降。在 u2-2的负半周，二极管在反向电压的作用下保持截止状态6。直到下一个正半周，当交流电源两端电压超过电容两端电压时，二极管 Diode3 再次导通。如图 7 所示。上述过程中，电容器的放电时间常数是电阻 RL-1的阻值与电容 C2的容值的乘积。u2-2+RL-1v+-uo-2v+-ui-2Scope2Continuouspowergui2makDiode3+C2图 6 带载条件下半波整流滤波电路仿真模型u2-2uo-210-3t(s)u(V)0123456-30-24-18-12-60612182430图 7 带载条件下半波整流滤波电路仿真波形电容滤波电路结构简单，输出脉动小。当负载电流太大时，电容器放电的速度加快，这会导致负载电压不够平稳，影响整流滤波效果。故电容滤波条件下的负载电流一般较小，能够允许存在较大的放电时间常数。在输出电压的电容放电段，波形比较平缓，输出平均电压较大，具有良好的滤波特性。上述过程中，电容器的放电时间常数是负载的阻值与电容容值的乘积7。放电时间常数越大，电容放电越慢。电容滤波条件下的负载电流一般较小，能够允许存在较大的放电时间常数。在实际电路中，负载电阻一般不会随意变动，考虑在图 6 中二极管两端并联两个等容值的电容。在其他条件和参数不变的情况下，将单电容的滤波电路和三电容的滤波电路进行对比仿真。仿真结果如图 8 所示，并联电容后的半波整流滤波电路输出电压波形更加平滑。三电容并联，等效于增加了电容的容量，当交流电源电压下降时，电容完全放电所需时间延长，负载两端电压下降幅度减小，波形更加平缓，输出平均电压更大，具有良好的滤波特性。诚然，电容容量也不是越大越好。电容容量增大造成体积变大，增加成本，还影响空气流动和散热。滤波电容容量越大，瞬间的充电电流越大，严重时可能损坏整流二极管。故应全面考虑电路设计的要求选择合适的电容。u(V)uo-2uo-310-3t(s)012345604812162024图 8 带载条件下半波整流滤波电路仿真波形对比3.6 电路器件的选择总结半波整流滤波电路由交流电源，整流二极管，滤波电容和负载等构成。交流电源和负载受使用环境限制，在此主要分析整流二极管和滤波电容。整流二极管的原料可以是半导体锗或硅等材料。其中，硅整流二极管的正向电流大，反向耐压性能好，反向漏电流较小，主要用于低频整流电路。二极管作为整流元件，要根据具体的整流方式和负载的大小进行选择8。在带载的半波整流电路中，流经负载的电流也流过了整流二极管。若流经负载的电流较大，而手头没有能够耐受大电流的器件，可以考虑将二极管并联起来使用。两个二极管并联，理论上每个二极管流过一半的电流。三个二极管并联，每个二极管分担三分之一的电流。在实际并联运用时，需要根据实际的分流情况进行调整。电容的本质是通交流，隔直流，同时可以储存能量。电容滤波用到了这两种特性。滤波电容对直流电相当于开路，整流电路输出的直流电压加到了负载两端。滤（下转 60 页）60602023.022023.02第 4 期现代信息科技参考文献：1 保铮，刑孟道，王彤.雷达成像技术 M.北京：电子工业出版社，2005.2 CHEN S Z，WANG H P，XU F，et al.Target classification using the deep convolutional networks for SAR images J.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2016，54（8）：4806-4817.3 ZHAO P，LIU K，ZOU H，et al.Multi-stream convolutional neural network for SAR automatic target recognition J.Remote Sensing，2018，10（9）：1473.4 MIN R，LAN H，CAO Z J，et al.A gradually distilled CNN for SAR target recognition J.IEEE Access，2019，7：42190-42200.5 DING B Y，WEN G J.A region matching approach based on 3-D scattering center model with application to SAR target recognition J.IEEE Sensors Journal，2018，18（11）：4623-4632.6 DING J，CHEN B，LIU H W，et al.Convolutional neural network with data augmentation for SAR target recognition J.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2016，13（3）：364-368.7 LIU M，CHEN S C，WU J，et al.Configuration recognition via class-dependent structure preserving projections with application to targets in SAR images J，IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2018，1（11）：21342146.8 YU M T，ZHANG S Q，DONG G，et al.Target recognition in SAR image based on robust locality discriminant projection J，IET Radar，Sonar&Navigation，2018，12（11）：12851293.9 MALMGREN-HANSEN D，KUSK A，DALL J，et al.Improving SAR automatic target recognition models with transfer learning from simulated data J.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2017，14（9）：1484-1488.10 INKAWHICH N，INKAWHICH M J，DAVIS E K，et al.Bridging a gap in SAR-ATR:Training on fully synthetic and testing on measured data J.IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2021，14：2942-2955.11 ZHANG H，CISSE M，DAUPHIN Y N，et al.mixup:Beyond empirical risk minimization J/OL.arXiv:1710.09412 cs.LG.2022-09-13.https:/arxiv.org/abs/1710.09412.12 TSENG H Y，LEE H Y，HUANG J B，et al.Cross-domain few-shot classification via learned feature-wise transformation J/OL.arXiv:2001.08735 cs.CV.2022-09-13.https:/arxiv.org/abs/2001.08735v1.作者简介：王可（1981），男，汉族，江苏淮安人，讲师，博士，研究方向：人工智能和大数据技术；乔琪（1982），男，汉族，江苏淮安人，副教授，硕士，研究方向：通信技术和大数据技术。波电容容抗较小，输出电压中的脉动成分通过电容流到了地端。如此，通过电容的滤波，从单向脉动电压中获取到了直流电压。滤波电容容量越大，滤波效果越好。由于引线和 PCB 布线等原因，实际上电容是电感和电容的并联电路。一般大电容滤低频波，小电容滤高频波9。电容的选取要同时考虑对整流二极管的影响。电容容量过大，除了体积变大，增加成本，影响电路散热，同时其自身的瞬间充电电流大，可能会烧坏整流二极管。因此，整流二极管和滤波电容互相影响，在选用时要综合考量。4 结 论描述了整流电路和滤波电路的原理，介绍了 Power Systems 工具箱，在已构建的原理图的基础上利用 MATLAB平台搭建了半波整流电路和半波整流滤波电路的模型，进行了仿真分析。最后，对电路主要器件的选取进行了总结。半波整流电路输出脉动直流电压，电容滤波电路可改善输出电压波形。在空载条件下，半波整流滤波电路稳态输出恒定直流电压。在带载条件下，在允许范围内，电容器的放电时间常数越大，电容器的容值越大，滤波效果越好。电容容量的增大使得充电电流增大，在一定程度上对整流二极管存在不利影响，需要综合考量。上述仿真结果可为工程实践提供参考。参考文献：1 杨再敏.中职学校理实一体化教材开发研究 D.贵阳：贵州师范大学，2018.2 卢艳霞，黄辉，蒲孝文.半波整流滤波电路中的电压波形分析 J.大学物理实验，2015，28（5）：25-27.3 赵明，王怡敏，刘伟，等.基于宏观线收缩率的复合材料固化变形仿真预测 J.工业技术创新，2022，9（1）：30-35.4 李润良.基于 MATLAB 的新能源电站小电流接地系统故障仿真分析 J.科学技术创新，2019（27）：80-81.5 李艳，姚亮.单相半波整流电路的仿真设计 J.数字技术与应用，2019，37（12）：158+160.6 刘寰曦，王弼陡，罗刚银.基于 ARM 的荧光定量分析仪设计 J.电子测量技术，2018，41（13）：139-144.7 赵荣普，白添凯，杨文镪，等.电容器电容量测量原理研究 J.电力设备管理，2020（3）：82-83.8 中国科学院电工研究所.适用于高速大电流的旋转整流器：CN202110644442.X P.2021-10-08.9 李明，魏凯.某仪表便携式发射机抗扰测试问题分析及对策 J.汽车电器，2021（6）：80-81.作者简介：李璀璀（1993），男，汉族，江苏徐州人，助理工程师，硕士，主要研究方向：嵌入式电机控制系统。（上接 56 页）