任务1.2
整流电路

任务目标

1.理解直流稳压电源各组成部分的作用。

2.了解单相半波整流电路的工作原理。

3.掌握单相桥式整流电路的工作原理及参数计算方式。

4.能搭接单相桥式整流电路并掌握参数测试方法。

【任务描述】

学习单相桥式整流电路的工作原理并测试电路参数。

【任务准备】

（1）直流稳压电源的组成

电子设备对电源电路的要求是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，通常情况下要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。如图 1.14 所示为直流稳压电源的原理框图，表示交流电转变为直流电的过程。

①电源变压器：将交流电网电压u ₁ 变为合适的交流电压u ₂ 。单相交流电压的有效值为220 V，而普通的直流电压值比此值低，需要变压器降压。

②整流电路：将交流电压u ₂ 变为单相脉动直流电压u ₃ 。

③滤波电路：滤除脉动直流电压u ₃ 中的交流成分，使输出电压转变为平滑的直流电压u ₄ 。

④稳压电路：使输出电压u ₅ 稳定，不受电网波动及负载变化的影响。

（2）单相半波整流电路

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称为单向脉动性直流电压。电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路 3 种。

半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B、整流二极管VD和负载电阻R _L 组成。变压器把交流电网电压u ₁ （220 V）变换为所需要的交流电压u ₂ ，整流二极管VD再把交流电变换为脉动直流电。变压器次级线圈交流电压u ₂ 是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图 1.15 所示。在 0~π时间内，u ₂ 为正半周即变压器上端为正、下端为负。此时整流二极管VD承受正向电压而导通，u ₂ 通过它加在负载电阻R _L 上；在π~2π时间内，u ₂ 为负半周，变压器次级下端为正、上端为负，此时整流二极管VD承受反向电压截止，R _L 上无电压。在 2π~3π时间内，重复 0~π时间的过程，而在 3π~4π时间内，又重复π~2π时间的过程……这样反复下去，交流电的负半周就被“削”掉了，只有正半周通过R _L ，获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图 1.15 所示，达到了整流的目的。但是负载电压u _o 、负载电流i _o 的大小会随时间而变化，通常称为脉动直流电。

除去负半周、留下正半周电压的整流方法，称为半波整流。半波整流是以“牺牲”一半交流为代价来换取整流效果的，整流效率只有 40%左右，在一般无线电装置中很少采用。

u _{2 > 0} 时，整流二极管VD导通，忽略二极管正向压降，u ₀ = u ₂ 。

u _{2 < 0} 时，整流二极管VD截止，u ₀ = 0。

（3）单相桥式整流电路

桥式整流即桥式整流器，也称为整流桥堆，是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电，如图 1.16 所示。

单相桥式整流电路是对二极管半波整流电路的一种改进。半波整流电路利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半周，负半周则损失掉。桥式整流电路利用 4 个二极管，两两对接。输入正弦波的正半周时（a端为+，b端为-），两只二极管VD ₁ 和VD ₃ 导通，电流从上至下流通负载电阻R _L 得到正的输出u _O ，如图 1.17 所示。

桥式整流电路（b端为+，a端为-）两只二极管VD ₂ 和VD ₄ 导通，电流从上至下流通负载电阻R _L 得到正的输出u _O ，如图 1.18 所示。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤。

单相桥式整流电路输出波形，如图 1.19 所示。

设变压器次级输出电压

输出电压的平均值

输出电流的平均值

二极管承受的最高反向工作电压

每个二极管流过电流的平均值

【任务实施】

步骤一：实验室“7S”管理要求学习。

“7S”共包括 7 个方面：整理、整顿、清扫、清洁、素养、安全、节约。在英文里，这 7 个单词的首字母都是“S”，简称“7S”。

①整理：区分需要和不需要的事或物，对实训场地不必要的物品进行清除，腾出实训室空间，空间活用，同时清除不正确的思想意识。

②整顿：将需要物品配置齐全，并明确地对其予以标记，按规定对物品进行科学合理的布置和摆放，达到标准化放置要求，物品用后及时复位。

③清扫：各责任人负责将实训场地打扫干净，使场地保持无垃圾、无灰尘、无脏污、无异味、干净整洁，按照“谁使用、谁负责”的原则，并防止其污染的发生。

④清洁：维护整理、整顿、清扫的工作成果，并对其实施的做法予以标准化、制度化、持久化，使“7S”活动形成惯例和制度。

⑤素养：以“人性”为出发点，通过整理、整顿、清扫、清洁等合理化的改善活动，使全体人员养成守标准、守规定的良好习惯，永远保持妥当的行为，进而促进各成员素养的全面提升。

⑥安全：遵守纪律，提高安全意识，每时每刻都树立安全第一的观念，做到防患于未然。

⑦节约：合理利用财物，并发挥其最大效能，讲究速度和效率，创造出一个高效率、物尽其用的实训环境。

步骤二：认识变压器。

绕组是变压器电路的主体部分，绕组又可分为一次绕组和二次绕组。一次绕组是与电源相连的电阻，能够从电源接受能量；二次绕组是与负载相连的绕组，主要是给负载提供能量。

如图 1.20 所示，双 12 V输出的变压器，其中两根红线是输入端，接市电 220 V；绿绿黑 3根线是输出端，输出两个 12 V交流电压。请将两相插头与变压器连接，用万用表测试，见表1.7。变压器和插头如图 1.21 所示。

【注意】

①用万用表的欧姆挡测一次的电阻、二次的电阻，不应有断线。

②用万用表的欧姆挡测一次对地、二次对地、一次对二次的绝缘电阻，应有几百kΩ以上。

③一次加额定电压，测一次的空载电流（一般若干毫安），测二次电压，应符合要求。

步骤三：用二极管搭接单相桥式整流仿真电路。

要求：利用仿真软件绘制仿真图，如图 1.22 所示，并测试表 1.8 中的参数。

应用拓展 1——整流桥堆认识。

①请观察整流桥堆并绘制外观。

②简述整流桥堆的测试方法。

思考

①已知单相桥式整流电路输出直流电压为 110 V，输出电流为 50 mA。试选择整流桥。

②单相桥式整流电路中，如果有一个二极管断路，电路会出现什么现象？如果有一个二极管短路，电路会出现什么现象？如果有一个二极管反接，电路会出现什么现象？

知识链接

（1）整流桥堆的特点

分立元件可以构成桥式整流电路，但为了方便和装备简单，现在半导体器件厂已经将二极管封装在一起，把桥式整流电路连接好密封在壳体中，构成一个新的器件——全波整流桥式整流桥，又称整流桥。整流桥通常带有足够大的电感性负载，不会出现电流断续。整流桥负载端常接有平波电抗器，可将整流桥负载视为恒流源。整流桥的作用：可将交流发电机产生的交流电转变为直流电，以实现向用电设备供电和向蓄电池进行充电，限制蓄电池电流倒转回发电机，保护交流发电机不被烧坏，如图 1.23 所示为整流桥堆实物与符号。

（2）整流桥的测试

1）判断交流端和直流端

把万用表调到的R × 100 挡位，红表笔固定一端，黑表笔测量其他三端，当阻值均较大时，则红表笔所接的为整流桥负极；若用黑表笔固定一端，红表笔测量其他三端的电阻值均较小时，黑表笔所接的就为负极。判断出正负极后，剩余引脚就是交流端，交流端不分极性。

2）整流桥好坏的判断方法

用万用表R × 100 挡位，找到交流端和直流端，分别测量。当表的读数为 0 时，说明桥内短路；若交流端正、反向电阻值均较大，表明桥内断路。如果不是封装的，就用二极管挡位，直接逐个测量。封装的整流桥维修，只要确定故障就整块更换，但断路故障还是可以修复使用的，在开路的整流桥块上并联一个不小于原参数的整流二极管，对电源精度要求不高的电路上可以使用此方法。

【阅读材料】

电子技术发展史

我国很早就发现了电和磁的现象，在古籍中曾有“磁石召铁”和“琥珀拾芥”的记载。磁石首先应用于指示方向和校正时间，在《韩非子》和东汉王充著《论衡》两书中提到的“司南”就是指此。随着航海事业发展的需要，我国在 11 世纪发明了指南针。在宋代沈括所著的《梦溪笔谈》中有“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”的记载。这不仅说明了指南针的制造方法，而且叙述了磁偏角的现象。直到 12 世纪，指南针才由阿拉伯人传入欧洲。

18 世纪末至 19 世纪初，由于生产的需要，在电磁现象方面的研究工作发展得很快。库仑在 1785 年首先从实验室确定了电荷间的相互作用力，电荷的概念有了定量的意义。1820 年，奥斯特在实验时发现了电流对磁针有力的作用，揭开了电学理论新的一页。同年，安培确定了通有电流的线圈的作用与磁铁相似，指出了此现象的本质。著名的欧姆定律是欧姆于 1826 年通过实验得出的。法拉第对电磁现象的研究有特殊的贡献，他在 1831 年发现的电磁感应现象是以后电子技术的重要理论基础。在电磁现象的理论与使用问题的研究上，楞次发挥了巨大的作用。他在 1833 年建立确定感应电流方向的定则（楞次定则）。其后，他致力于电机理论的研究，并阐明了电机可逆性的原理。他在 1844 年还与英国物理学家焦耳分别独立地确定了电流热效应定律（焦耳-楞次定律）。与楞次一道从事电磁现象研究工作的雅可比在 1834 年制造出世界上第一台电动机，证明了实际应用电能的可能性。电机工程得以飞速发展是与多里沃-多勃罗沃尔斯基的工作分不开的。这位杰出的俄罗斯工程师是三相系统的创始者，他发明和制造出三相异步电机和三相变压器，并首先采用了三相输电线。在法拉第的研究工作上，麦克斯韦在 1864—1873 年提出了电磁场理论。他从理论上推测到电磁波的存在，为无线电技术的发展奠定了基础。1888 年，赫兹通过实验获得电磁波，证实了麦克斯韦的理论。但实际利用电磁波为人类服务的应归功于马克尼和波波夫。大约在赫兹实验成功 7 年后，他们彼此独立地在意大利和俄国进行通信实验，为无线电技术的发展开辟了道路。

人类在与自然界斗争的过程中，不断总结和丰富着自己的知识。电子技术就是在生产斗争和科学实验中发展起来的。1883 年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，随后在 1904 年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，它首先被用于无线电检波。1906 年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极——栅极，发明了电子三极管，从而树立了早期电子技术上重要的里程碑。经过 5 年研究改进，1911 年开始了使用电子技术的时代。电子技术作为一门新兴科学，其发展至今不过百余年。

半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大的功劳，但是电子技术的成本高，制造烦琐，体积大，耗电多，从 1948 年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是，电子管具有独特的优点，在有些装置中，从稳定性、经济性或功率上考虑，还需采用电子管。

1948 年用半导体材料做成的第一只晶体管，称为“半导体器件”或“固体器件”，1951 年生产出了半导体产品，这是出现分立元件的又一个里程碑。20 世纪 50 年代末提出“集成”的观点。1950 年Kilby在IRE的一次会议上宣布“固体电路”的出现，之后称为“集成电路”。集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到一个新的阶段，它实现了材料、元件、电路三者之间的统一，与传统的电子元件的设计、生产方式及电路的结构形式有着本质的不同。1960 年集成电路处于“小规模集成”阶段，每个半导体芯片上有不到 100 个元器件。1966 年进入“中规模集成”阶段，每个芯片上有 100~1 000 个元器件。1969 年进入“大规模集成”阶段，每个芯片上的元器件达到 10 000 左右。1975 年跨入“超大规模集成”阶段，每个芯片上的元器件多达 10 000 个以上。1960—1980 年，芯片上元器件的“集成度”增加了1 000 000 倍，每年递增率约为两倍。目前的超大规模集成，在几十平方毫米的芯片上有上百万个元器件，进入“微电子”时代，大大促进了先进科学技术的发展。

随着半导体技术的发展和科学研究、生产和管理等的需要，电子计算机应时而兴起，并且日臻完善。从 1946 年诞生第一台电子计算机以来，经历了电子管、晶体管、集成电路及超大规模集成电路 4 代，每秒运算速度达 10 亿次。现在正在研究开发第五代计算机（人工智能计算机）和第六代计算机（生物计算机），它们不依靠程序工作，凭借人工智能工作。特别是 20 世纪 70 年代卫星计算机问世以来，其价廉、方便、可靠、小巧，大大加快了电子计算机的普及速度。

数字控制和数字测量在不断地发展和日益广泛地应用，数字控制机床和“自适应”数字控制机床相继出现。目前已经实现利用电子计算机对几十台乃至百台数字控制机床进行集中控制（所谓“群控”）。

晶体闸流管在工业上获得了广泛应用，使半导体技术进入了强电领域。

随着生产和科学技术发展的需要，电子技术的应用渗透到人类生活和生产的各个方面。西方学者将之归纳为 4 个方面，或者 4 个“C”，它有两种说法：一种是元器件制造工业、通信、控制和计算机；另一种说法是通信、控制、计算机和文化生活，如广播、电视、录音、电化教学、电子文体用具、电子表等。

电子技术得到高度发展和广泛应用（如空间电子技术、生物医学电子技术、信息处理和遥感技术、微波应用等），它对社会生产力的发展起到变革性的推动作用。电子水准是现代化的一个重要标志，电子工业是实现现代化的重要物质技术基础。电子工业的发展速度和技术水平，特别是电子计算机的高度发展及其在生产领域中的广泛应用，直接影响工业、农业、科学技术和国防建设，关系社会主义建设的发展速度和国家的安危；直接影响亿万人民的物质、文化生活，关系广大群众的切身利益。

【教学评价】