整流滤波电路实验论文.doc

电学设计性实验 整流滤波电路
整流滤波电路
俞莹
2012012754 物理学四班
摘要：在现代工农业生产和日常生活中，广泛地使用着交流电。主要原因是与直流电相比，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。然而大部分的用电设备使用的是直流电，因此如何更加有效的将交流电转换成直流电成为不容忽视的问题，电压的稳定与否，与整流、滤波有着很大的关系，因此要制作一种数控电源必然少不了对整流、滤波电路的设计，本次目的是掌握桥式整流，电容滤波的设计方法。了解整流滤波电路的基本工作原理。
关键词：桥式整流电路，电容滤波电路，电路设计
1 引言
电子系统的正常运行离不开稳定的电源，除了在某些特定场合下采用太阳能电池或化学电池作电源外，多数电路的直流电是由电网的交流电转换来的，能长期、连续、可靠、稳定地工作，给人们生产生活带来了极大的方便。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源级数比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。而开关电源的稳定关键就在于整流、滤波电路的设计。
2 实验仪器
名称
数量
型号
交流电源
1台

示波器
1台

万用表
1只

二极管
4只
1N4007*4
电阻
1只
50Ω *1
电位器
1只

电容
2只
10μF*1，470μF*1
连接导线
若干

开关
1只
一刀双掷
玻璃板
1块

接线柱
11只

3 实验原理
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。
3.1整流电路
利用二极管的单向导电性可实现整流。
二极管的单向导电性原理，晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n　结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流，在电子工程领域这个反响饱和电流可以被忽略。
3.1.1半波整流
下图D是二极管，RL是负载电阻。若输入交流电为

则经整流后输出电压u0(t)为（一个周期内）

其相应的平均值（即直流平均值，又称直流分量）

3.1.2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来说明，其电路和相应的波形如下图所示。
若输入交流电仍为

则经桥式整流后的输出电压u0(t)为（一个周期）

其相应直流平均值为

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）。
3.2滤波电路
3.2.1 RC半波滤波电路
在负载上并联一个电容器，利用电容器充放电时端电压不能跃变的特性使直流输出电压保持稳定。图中为一个简单的整流滤波电路，二极管VD起整流作用，与负载并联的电容C起滤波作用，这个电容器就是一个最简单的滤波器。

RC平滑滤波电路是利用电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变的原理实现滤波的。下面结合图来讲述RC平滑滤波电路的工作原理。

由于二极管的整流作用，未接滤波电容器时，忽略二极管正向压降，输出为半波，如图(a)图所示；并联滤波电容器以后，由于电容两端电压不能跃变，输出波形如图(b)所示。改善滤波电容器的性能可获得直流电。
3.2.2 RC全波滤波电路
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。图下所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。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下所示。

4 实验内容
1. 根据如下电路图，安装电路。

2. 检查电路，确定电路无误后，接入示波器和电源。
3. 先观察未整流滤波前的图像，并记录。
4. 接入桥式直流电路，观察图像，并记录。
5. 将开关打到10μF电容端，记录波形，改变负载电阻，记录波形。
6. 将开关打到470μF电容端，记录波形，改变负载电阻，记录波形。
5 实验结果及分析
5.1制作完成的电路

5.2波形数据记录
整流滤波前

桥式整流后

桥式整流10μF电容滤波 负载电阻较大

桥式整流10μF电容滤波 负载电阻较小

桥式整流470μF电容滤波 负载电阻较大

桥式整流470μF电容滤波 负载电阻较小

5.3结果分析
从以上情况来看，随着滤波电容的增大，输出电压越平稳，但带来的问题就是对交流侧产生的谐波更明显，那么如何来减小电流的冲击呢？在实际应用中"常在直流侧串入电感。
随着负载电阻的增大，输出电压越平稳，因为不同阻值的负载使得电容放电时的电流不同，导致电容放电时的电压减少量就不同，所以就造成有不同的纹波电压。
5.4实验应用
滤波电容，具有隔直流，通交流的作用，即滤波作用，把整流后的电压中多次谐波滤除，输出纯净的直流电压。因此电容的设计选择，直接关系到滤波电路输出直流电压的质量。想要设计出对生产应用有效的整流滤波电路，电容的设计与选取需要另外展开深入的讨论和研究，这又是另一个研究方向。
目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源，都使用单相桥式整流滤波电路来获得平稳的电压，但它却给电源带来谐波，并且在增加滤波电容来改变滤波效果的同时，对交流侧产生的谐波却更明显，所以在设计整流滤波电路时应权衡考虑。在实际应用中，为了减小电流的冲击，可在直流侧串入电感。也可对RLC直流稳压电路，以及电感的选择，继续深入探究。
6 结论
1、电阻越大，输出波形的交流成分越少，即输出电压越平稳；
2、电容越大，输出波形的交流成分越少，即输出电压越平稳。
参考文献：
[1] 董振旗,赵巍辉,刘耀辉. 整流滤波电容的设计与选用方法研究[J].电子工程设计,2012(14):56-58.
[2] 刘 鹏,胡赛纯,李加升,龚吉清. 整流滤波电路中谐波电流分析及其改进的研究[J],通信电源技术,2010(4):8-21.
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