2008全國(guó)地區(qū)高三物理競(jìng)賽電學(xué)資料：《整流和濾波》

1、§5.4 整流和濾波541、整流把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程叫做整流，通圖5-4-1圖5-4-2常是利用二極管的單位導(dǎo)電特性來實(shí)現(xiàn)整流目的，一般的整流方式為半波整流、全波整流、橋式整流。（1）半波整流如圖5-4-1所示電路為半波整流電路，B是電源變壓器，D是二極管，R是負(fù)載。當(dāng)變壓器輸出正弦交流時(shí)，波形如圖5-4-2甲所示，當(dāng)0時(shí)，二極管D正向?qū)?，設(shè)正向電阻為零，則。當(dāng)0時(shí)，在交流負(fù)半周期，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，所以R上無電流，變化如圖5-4-2所示?？梢奟上電壓是單方向的，而強(qiáng)度是隨時(shí)間變化的，稱為脈動(dòng)直流電。 圖5-4-3圖5-4-4（2）全波整流全波整流是用二個(gè)二極管、分別完成

2、的半波整流實(shí)現(xiàn)全波整流，如圖5-4-3所示，O為變壓器中央抽頭，當(dāng)0時(shí)，導(dǎo)通，截止，當(dāng)0時(shí)截止，導(dǎo)通，所以R上總是有從上向下的單向電流，如圖5-4-4所示。（3）橋式整流圖5-4-5橋式整流電路如圖5-4-5所示，當(dāng)0時(shí)， 、處于導(dǎo)通狀態(tài)，、處于反向截止，而當(dāng)0時(shí)，、處于導(dǎo)通，、反向截止，流經(jīng)R的電流總是從上向下的脈動(dòng)直流電，它與全波整流波形相似。所不同的是，全波整流時(shí)，二極管截止時(shí)承受反向電壓的最大值為，而橋式整流二極管截止時(shí)，每一個(gè)承受最大反向電壓為。542、濾波圖5-4-6圖5-4-7交流電經(jīng)整流后成為脈動(dòng)直流電，其電流強(qiáng)度大小仍隨時(shí)間變化。為了使脈動(dòng)電流為比較平穩(wěn)的直流，需將其中脈動(dòng)成

3、份濾去，這一過程稱為濾波。濾波電路常見的是電容濾波、電感濾波和型濾波。圖5-4-8圖5-4-6為電容濾波電路，電解電容C并聯(lián)在負(fù)載R兩端。由于脈動(dòng)直流可看作是穩(wěn)恒直流和幾個(gè)交流電成份疊加而成，因而電容器的隔直流通交流的性質(zhì)能讓脈動(dòng)直流中的大部分分交流中的大部分流成份通過電容器而濾去。使得R上獲得比較平穩(wěn)的直流電，如圖5-4-7所示。電感線圈具有通直流阻交流的作用，也可以作為濾波元件，如圖5-4-8所示電路中L與R串聯(lián)，電壓交流成份圖5-4-9的大部分降在電感線圈上，而L的電阻很小，電壓的直流成份則大部分降在負(fù)載電阻上，因此R上電壓、電流都平穩(wěn)就多，圖5-4-9所示。把電容和電感組合起來，則可以

4、組成濾波效果更好的型濾波器，如圖5-4-9所示。 §5、5 例題1、氖燈接入頻率、電壓為120V的交流電路中共10分鐘，若氖燈點(diǎn)燃和熄滅電壓，試求氖燈的發(fā)光時(shí)間。圖5-4-9圖5-4-10分析: 氖燈發(fā)光時(shí)電壓應(yīng)為瞬時(shí)值，而接入交流電電壓120V是為有效值。所以要使氖燈發(fā)光，須使交流電電壓瞬時(shí)值。解: 氖燈管兩端電壓瞬時(shí)值為其中，由于交流電周期性特點(diǎn)，如圖5-4-10所示，在半個(gè)周期內(nèi)氖燈發(fā)光時(shí)間，則有：燈點(diǎn)熄和熄滅時(shí)刻，有120=120則在0時(shí)間內(nèi)，有在一個(gè)周期T內(nèi)，氖燈發(fā)光時(shí)間所以在10分鐘時(shí)間內(nèi)，氖燈發(fā)光時(shí)間應(yīng)占通電時(shí)間的一半為5分鐘。圖5-4-112、三相交流電的相電壓為22

5、0V，負(fù)載是不對(duì)稱的純電阻，連接如圖5-4-11所示，試求：（1）中線電流。（2）線電壓。分析: 有中線時(shí)，三相交流三個(gè)相變電壓的相位彼此差，振幅相同，因負(fù)載為純電阻，三個(gè)線電流的相位也應(yīng)彼此相差，因負(fù)載不對(duì)稱，三個(gè)線電流振幅不同，但始終有。解: （1）有中線時(shí)，三個(gè)相電壓，彼此相差為，表達(dá)式為三個(gè)線電流、為：，則有中線電流得： 所以中線電流。圖5-4-12（2）線電壓、應(yīng)振幅相等，最大值皆為，有效值為380V，彼此相差為。3、如圖5-4-12所示的電路中，三個(gè)交流電表的示數(shù)都相同，電阻器的阻值都是100，求電感線圈L和電容C的大小。分析: 、表讀數(shù)為電流的有效值，而通過電表的瞬時(shí)電流應(yīng)滿足：

6、借助于電流旋轉(zhuǎn)矢量關(guān)系可求解：解: 由電流關(guān)系有又三個(gè)電表讀數(shù)相等，由（1）推知，對(duì)應(yīng)電流旋轉(zhuǎn)矢量關(guān)系是 且， 由電路結(jié)構(gòu)可知，超前，滯后于且相位差都小于，由此超前于，且超前量，注意，所以合矢量為， ， 又：（并聯(lián)關(guān)系） 所以有 電流與端電壓間相位差有所以有 代入（3）式得：圖5-4-13圖5-4-144、某用電區(qū)總功率表的讀數(shù)和總電流表的讀數(shù)常常是16kW和90A左右，原因是電感性負(fù)載增大，總電流相位比總電壓相位落后較多造成的，導(dǎo)致功率因素過低，于是在該用電區(qū)輸入端并聯(lián)一只電容，結(jié)果使該電路的功率因素提高到了0.9，試問并聯(lián)這一電容規(guī)格如何？分析: 對(duì)于一個(gè)交流電路，電路的有功功率為，為電流

7、與電壓相差，則稱為電路的功率因素，由于電路中感性元件較多，因而電流總比電壓落后較大相為，如圖5-4-13所示，并聯(lián)電容C后，電容器支路電流超前電壓，使干路電流與U落后相差減小，從而提高功率因素。解: 原來的有功功率，所以功率因素設(shè)并聯(lián)電容C，相應(yīng)旋轉(zhuǎn)矢量由圖5-4-14可得 ，代入得 取電容器耐壓值為350V，所以應(yīng)在輸入端并聯(lián)、350V的電容器。圖5-4-155、如圖5-4-15所示電路中，輸入電壓，直流電源電動(dòng)勢(shì)。（1）求的波形；（2）將D反接后，又當(dāng)如何？分析: 電阻與電源串聯(lián)，有分壓作用，二極管與電源串聯(lián)后，跨接在輸出端，與負(fù)載形成并聯(lián)關(guān)系，這樣的連接特點(diǎn)使電路具有削減波幅的功能。圖5

8、-4-16圖5-4-17解 （1）時(shí)，電勢(shì)，D處于反向截止，ab相當(dāng)于斷路，>時(shí)，電勢(shì)，D處于正向?qū)顟B(tài)，ab間相當(dāng)于短路，輸出電壓的頂部（）被削去，如圖5-4-16所示。（2）當(dāng)D反接時(shí)，如圖5-4-17所示，當(dāng)時(shí)，D截止，；當(dāng)時(shí)，D被導(dǎo)通，ui低于的部分全部被削去，輸出波形成為底部在處的正脈動(dòng)電壓，如圖5-4-18所示。6、如圖5-4-19所示電路中，電源內(nèi)阻可略，電動(dòng)勢(shì)都是30V，。將K依次圖5-4-18圖5-4-19圖5-4-20接“1”和“2”時(shí)，各電阻上的電流強(qiáng)度是多少？?jī)牲c(diǎn)誰的電勢(shì)高？分析 一般情況下，我們總是認(rèn)為二極管為理想情形，正向?qū)〞r(shí)，反向截止時(shí)，為斷路。解 （1

9、）K接1時(shí)，靠直流電源供電，此時(shí)導(dǎo)通，截止。有（2）K接“2”時(shí)，交流電源供電，、交替的導(dǎo)通和截止，設(shè)，如圖5-4-20所示。在正半周期，導(dǎo)通，通過電流在負(fù)半周期，導(dǎo)通，截止，通過的電流由于始終有電流通過，所以、的電流如圖5-12甲、乙、丙所示。的電流有效值圖5-4-21只有在半個(gè)周半個(gè)周期內(nèi)通電流，所以可求得其有效值。在正半周期 在負(fù)半周期 =所以d、c兩點(diǎn)間總有7、如果回旋加速器的高頻電源是一個(gè)LC振蕩器，加速器的磁感強(qiáng)度為B。被加速的帶電粒子質(zhì)量m、帶電量為q，那么LC振蕩電路中電感L和電容C的乘積LC為何值？分析: 帶電粒子子回旋周期加速器中旋轉(zhuǎn)一周兩次通過狹縫被加速，所以應(yīng)使粒子在磁

10、場(chǎng)中回旋周期與高頻電源周期相等。解: 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)周期回旋加速器兩個(gè)D型盒上所接高頻電源是一個(gè)LC振蕩器，其振蕩周期滿足帶電粒子每次通過D型盒狹縫都被加速，應(yīng)有得到 8、在圖5-4-22所示的電路中，當(dāng)電容器上電壓為零的各時(shí)刻，開關(guān)S交替閉合、斷開，畫出電感線圈L上電壓隨時(shí)間t持續(xù)變化的圖線，忽略電感線圈及導(dǎo)線上的電阻。分析: 在圖中所描繪的LC振蕩電路中。由于S的開閉，使得電容C不斷變化，回路電磁振蕩的周期、頻率以及電壓的振幅隨之發(fā)生變化。圖5-4-22解: 當(dāng)S閉合，被短路，L和組成的振蕩電路的振蕩周期當(dāng)S被打開時(shí)，、串聯(lián)，總電容C為它與L組成振蕩器振蕩周

11、期圖5-4-23因?yàn)楹雎砸磺须娮?，沒有能量損耗，故能量守恒，設(shè)當(dāng)振蕩周期時(shí)交流電壓的最大值為U1和 U2，則由此得因?yàn)镾是上電壓為零時(shí)刻打開和關(guān)閉的，所以L上電壓隨時(shí)間變化圖線如圖5-14所示。9、如圖5-4-24所示，正方形線圈abcd繞對(duì)稱在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)/分。若已知ab=bc=0.20米，匝數(shù)N=20，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2特，求：（1）轉(zhuǎn)動(dòng)中的最大電動(dòng)勢(shì)及位置：（2）從圖示位置轉(zhuǎn)過90。過程中的平均電動(dòng)勢(shì)；圖5-4-24（3）設(shè)線圈是閉合的，總電阻R=10歐，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到的最大電磁力矩及位置。分析: 這是一個(gè)以交流發(fā)電機(jī)為原型的計(jì)算題。根據(jù)導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的

12、公式，可計(jì)算出線圈中產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；根據(jù)線圈中的磁通量的平均變化率，可計(jì)算線圈出線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到磁力矩。解: （1）當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，線圈的ab、cd邊切割磁感線的有效速度最大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大， 伏。（2）從圖示位置轉(zhuǎn)過90。過程中，線圈中發(fā)生的磁通量變化，經(jīng)歷的時(shí)間為，由法拉第電磁感應(yīng)定律解得平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 伏（3）當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大。此時(shí)線圈的ab、cd邊受到的安培力最大且與線圈平面垂直，因而磁力矩也就最大，牛米10、兩個(gè)完全相同的電熱器，分別通過如圖5-4-25甲和乙所示的電流最大值相等的方波交流電流和正弦交流電流，則這兩個(gè)電熱器的電功率之比是多少？圖5-4-25分析: 交流電通過純電阻R時(shí)，電功率，式中I是交流電的有效值。交流電的有效值是交流電流的最大值的，這一結(jié)論是