任务二　汽车交流电路的认识与测量

问题导入

在现代汽车中，普遍采用的是交流发电机，因为交流发电机能够在更低的发动机转速下产生足够的电流，交流发电机产生的是正弦交流电，那么什么是正弦交流电呢？发电机产生的交流电怎么转换为直流电呢？本任务主要学习正弦交流电和整流电路的相关内容。

知识分析

一、正弦交流电的基本概念

1.正弦交流电概述

在交流电路中，电压或电流的大小和方向都在随时间而变化，其变化规律多种多样，应用得最普遍的是按正弦规律变化的交流电。正弦交流电通常可分为单相和三相两种。单相电路中的一些基本概念、基本规律和基本分析方法同样适用于三相电路。另外，在直流电路中所讲的一些基本原理及分析方法等在交流电路中也同样适用，只不过要注意在交流电路中由于电压、电流等均为随时间变化的物理量，所以交流电路的分析方法与直流电路相比较，还有概念上的一些差别和不同的物理现象，在分析时应加以注意。

2.正弦交流电的方向

图2-27为某一正弦电压和某一正弦电流的波形图，由于正弦交流电压或电流的大小和方向都在随时间作正弦规律变化，它的实际方向经常都在变动，如不规定电压、电流的参考方向就很难用一个表达式来确切地表达出任何时刻电压、电流的大小及其实际方向，参考方向的规定和前述一样，电流的参考方向可用箭头或双下标表示，电压的参考方向还可用“+”“-”极性来表示。

当正弦电压或电流的瞬时值u或i大于零时，正弦波形处于正半周，否则就处于负半周。u或i的参考方向即代表正半周时的方向，在正半周，由于u或i的值为正，所以参考方向与实际方向相同；在负半周，由于其值为负，所以参考方向与实际方向相反。

3.正弦交流电的基本参数

任何一个交流发电机的电动势都可以用e（t）=Emsin（ωt+φ）来表示，不同的电动势具有不同的Em、ω、φ数值。根据式e（t）=Emsin（ωt+φ）可以计算出正弦交流电电动势在某一时刻的大小，正弦交流电在某一时刻的大小称为交流电的瞬时值。因此，式e（t）=Emsin（ωt+φ）是正弦电动势的瞬时值表达式，简称瞬时值，记作e（t）。

e（t）中Em、ω、φ三个数值决定了正弦电动势的本质特性，Em称为正弦电动势的最大值，ω称为正弦电动势的角频率，φ称为正弦电动势的初相位。Em、ω、φ统称为正弦电动势的三要素，如图2-28所示。

在图2-28中，最大值Em反映着波形高于横轴最大高度，实际中Em表征了正弦电动势携带能量的多少；ω反映着波形变化的快慢，实际表征了能量的变换速率；φ反映着波形初始位置，实际表征了正弦电动势初始值的大小。把对正弦电动势的描述推广至正弦电压和正弦电流，便得到了描述正弦交流电的三个重要参数：最大值、频率和初相。

（1）最大值　正弦交流电瞬时值中最大的那个数值，称为最大值，它反映该交流电变化的幅度，其数值对给定的交流电来说是个定值。通常用大写英文字母加下标表示，如Em、Um、Im分别表示正弦交流电动势、交流电压、交流电流的最大值。

（2）频率　1s内信号重复变化的次数称为频率，用f表示，其单位是赫兹（Hz），还可用千赫（kHz）、兆赫（MHz）计量频率。它们的关系是1MHz=103kHz=106Hz。

周期定义为频率的倒数，它表示交流信号变化一次所需的时间，用T表示，其单位是秒（s），还可用毫秒（ms）、微秒（μs）计量时间。由频率与周期的定义可以得到如下关系式：

频率是反映交流电变化快慢的一个物理量。我国和大多数国家规定电力标准频率为50Hz，周期为0.02s。日本、美国等少数国家采用60Hz，其他不同的领域使用不同的频率，中频炉的频率是500～8000kHz，我国无线电广播中波段的信号频率为525～1605kHz，移动通信使用的频率在1～40GHz。

正弦交流电每秒内变化的角度称为角频率，用ω表示，单位是弧度每秒（rad/s），也表示正弦交流电变化的快慢。因为一个周期经过的角度α=2πrad，故角频率与频率、周期三者之间的关系为

若f=50Hz，ω=2πf=314rad/s，可见周期、频率、角频率都用来表示正弦交流电变化的快慢，知道其中一个量，就可以确定出另外两个量。

（3）初相　正弦交流电压一般表达式为

u（t）=Umsin（ωt+φu）　　（2-44）

式中，φu为t=0时的相位值，称为初相位，简称初相。初相确定了交流电在计时零点的瞬时值，相位和初相的单位都是弧度（rad）或度（°），图2-29是初相不同的几种正弦电流的波形。一般规定-π≤φ≤π。当t=0时，如果交流电的数值为正，则初相φ是一个正角。

4.正弦交流电的有效值、相位、相位差

（1）有效值　在正弦交流电的计算和分析中，计算每一瞬间的电压和电流的大小是没有多大实际意义的，为此引入一个表示正弦电压或电流大小的特定值，即有效值。

有效值是从电流的热效应来规定的，当交流电流在电阻上产生的热效应与某一直流电流在这个电阻上产生的热效应相同时，则称此直流电流为这个交流电流的有效值。有效值与幅值的关系为

在实际工作中，一般提到的交流电的大小，都是指它们的有效值。照明电路的电源电压有效值为220V，工厂动力电路的电源电压有效值为380V。用交流电工仪表测出来的电压、电流值一般均为有效值。通常，工作在交流电路中的电气设备的额定电压、额定电流值也是有效值。有效值用大写字母表示，这和直流时是一样的，在使用时应注意区别。

（2）相位　在u（t）=Umsin（ωt+φ）中，（ωt+φ）称为正弦量的相位，亦称相位角，它反映了正弦量随时间变化的进程对于某一给定的时间t就有对应的相位角，它代表了交流电的变化过程。当t=0（计时起点）时的相位角φ就称为初相角，简称初相。

（3）相位差　任何两个交流电的相位角之差称为相位差。本书只比较角频率相同的不同交流电之间的相位差。

如前所述，角频率为ω的正弦电压和正弦电流的瞬时值分别为

u（t）=Umsin（ωt+φu）

i（t）=Imsin（ωt+φi）

u与i的相位差为　Δφ=（ωt+φu）-（ωt+φi）=φu-φi　　（2-46）

由此可见，同频率正弦交流电的相位之差等于它们的初相之差，与时间无关，是个固定值。如果时间起点选择有所变化，则电压的初相和电流的初相将随之改变，但相位差不变。Δφ>0，说明φu>φi，则电压u比电流i先达到最大值（或零点），称电压“超前”电流一个相位角Δφ，或称电流i“滞后”于电压u个相位角Δφ，如图2-30（a）所示。超前与滞后是相对的，是指它们到达最大值的顺序。若Δφ=0，表示电压u与电流i同相位，这时电压u与电流i称为同步，如图2-30（b）所示，同步说明两个交流电既同频又同相。当Δφ=180°时，这时说明u和i相位相反，或者说u和i反相，如图2-30（c）所示。

例2-2　交流电路中某条支路的电流i=10sin（628t+45°）A，试求：（1）i的角频率、频率、周期；（2）i的最大值与有效值；（3）i的初相位；（4）若该电路中另一条支路电流i1其有效值是i的1/2，初相位为60°，写出i1的瞬时值表达式，并求两电流的相位差，说明二者之间的相位关系。

解：（1）i的角频率：ω=628rad/s

频率：f==100Hz

周期：T==0.01s

（2）i的最大值Im=10A

有效值：I==7.07A

（3）i的初相位：φi=45°。

（4）同一交流电路中，所有的交流电具有相同的角频率，所以ω1=ω=628rad/s。因为i1的有效值是i的1/2，所以最大值为：I1m==5A。

i1的瞬时值为i1（t）=5sin（628t+60°）A

相位差Δφ=φi-φi1=45°-60°=-15°，电流i滞后于电流i1有15°的相位角。

二、正弦交流电路

正弦交流电路是指含有正弦交流电源的线性电路，常见的有电阻电路、电容电路和电感电路。

1.电阻电路

图2-31所示为只含有电阻元件R的电路，电压、电流的参考方向如图所示。在交流电路中，通过电阻元件的电流和它两端的电压遵循欧姆定律。

设加在电阻元件两端的正弦交流电压为

根据欧姆定律，电路的电流为

式（2-48）表明，电阻元件中电流和其两端的电压是同频率的正弦量。比较电压和电流的数学表达式，有如下数量关系。

①电压和电流最大值关系为Im=。

②电压和电流有效值关系为I=。

③相位关系：电压与电流同相位，即φu=φi，相位差Δφ=0。

2.电容电路

图2-32为含有电容元件C的电路，电压、电流为如图所示的关联参考方向。

设加在电容元件上的正弦交流电压为

则通过电容元件的电流为

式（2-50）表明，电容元件中的电压和电流是同频率的正弦量。比较电压和电流的数学表达式，有如下数量关系。

①电压和电流最大值的关系为Im=ωCUm或Um=。

②电压和电流有效值关系为I=ωCU或U=。

XC称为容抗，单位为欧姆（Ω），容抗是表示电容对电流阻碍作用大小的一个物理量，它与C和ω成反比，对于一定的电容C，频率越高，它呈现的容抗越小，反之越大。即对于一定的电容C，它对低频电流呈现的阻力大，对高频电流呈现的阻力小，在直流情况下可以看做频率f=0，故XC=∞，电容C相当于开路，因此电容元件具有“通交流、阻直流”或“通高频、阻低频”的特性。因此它在电子电路中可起到隔直、旁路、滤波等作用。

③相位关系：电容元件电路中，电压和电流出现了相位差，电压滞后电流90°，或者说电容电流超前电压90°。

3.电感电路

图2-33为含有电感元件L的电路，电压、电流为如图所示的关联参考方向。

设通过电感元件上的正弦交流电流为

则电感元件的端电压为

式（2-54）表明，电感元件中的电流与其两端的电压是同频率的正弦量。比较电压和电流的数学表达式，有如下数量关系。

①电压和电流最大值的关系为Um=ωLIm或Im=。

②电压和电流有效值关系为I=。

令　　XL=ωL=2πfL　　（2-55）

则　　U=XLI　　（2-56）

XL称为感抗，单位为欧姆（Ω），感抗是表示电感对电流阻碍作用大小的一个物理量，它与L和ω成正比，对于一定的电感L，频率越高，它呈现的感抗越大，反之越小。即对于一定的电感L，它对高频电流呈现的阻力大，对低频电流呈现的阻力小，在直流情况下可以看做频率f=0，故XL=0，电感L相当于短路，因此电感元件具有“阻交流、通直流”或“阻高频、通低频”的特性。

③相位关系：电感元件电路中，电压和电流出现了相位差，电压超前电流90°。

三、三相交流电路

三相正弦交流电压由三个单相正弦交流电压组成，三个单相正弦交流电压分别为U相、V相和W相，它们幅值相等、频率相同，之间的相角差为120°。目前，三相交流电路在发电、输电、配电及用电等方面，都比单相交流电路具有更多的优越性，主要体现在如下几个方面：发电方面，同样尺寸的发电机，采用三相电路比单相电路可以增加输出功率；输电方面，在输电距离、输电电压、输送功率及线路损耗等相同的条件下，三相输电线路比单相输电线路节省有色金属约四分之一；配电方面，三相变压器比单相变压器经济，而且便于接入三相或者单相负载；用电方面，常用的三相电动机具有结构简单、运行平稳可靠等优点。因此在动力用电的地方，应用的几乎都是三相交流电，三相制也是目前世界各国的主要发电和供电方式。

（1）三相电动势的产生　三相电源是由三相交流电动势组成的。三相交流电动势则是由三相交流发电机产生的（或由三相变压器提供）。现以三相交流发电机为例，说明三相交流电动势的产生原理。如图2-34所示，在三相交流发电机的定子上对称放置三个匝数相同、绕法一样的绕组Ax、By和Cz，A、B、C分别为3个绕组的始端，x、y、z分别为其末端，每个绕组均可用图2-35所示的符号来表示。发电机的转子上绕有线圈，通入直流电后形成磁场。转子由原动机拖动，并作匀速旋转，由于转子磁场切割定子导体，在各相绕组里产生感应电动势，这些电动势将按正弦规律作周期性变化，它们的正方向统一规定为从绕组的末端指向始端。

在图2-34中，若磁极按顺时针方向从Ax绕组的垂直位置开始转起，则Ax绕组中产生的电动势初相位是零，用三角函数表示为

eA=EAmsinωt　　（2-57）

By绕组所处的空间位置比Ax绕组落后120°，感应电动势为

eB=EBmsin（ωt-120°）　　（2-58）

Cz绕组所处的空间位置比Ax绕组落后240°，感应电动势应当为

eC=ECmsin（ωt-240°）=ECmsin（ωt+120°）　　（2-59）

上述3个电动势的最大值相等，频率一样，彼此间的相位角各差120°，这样的电动势称为对称三相电动势。通常三相电源产生的三相电动势均对称。

（2）三相电压　星形连接的三相电源可以提供两种电压，即相电压和线电压。

①相电压　如图2-36所示的三相四线制电源中，三相电源的任意一根相线与中性线间的电压，即每组绕组始端与末端之间的电压，称为相电压。相电压可统一用UP表示，有效值用UA、UB、UC表示。规定各相电动势的正方向是从绕组的末端指向始端，那么各相电压的正方向就是从绕组的始端指向末端。在这一规定下可知，各相绕组的电压就等于电动势。而三相电动势是对称的正弦量，所以三相电压也一定是对称的正弦量。当uA的初相角为零时，用三角函数表示就有

三相电压波形如图2-36（a）所示。

②线电压　通常将任意两端线之间的电压，称为线电压。线电压可统一用UL表示，线电压波形图如图2-36（b）所示。

线电压不等于相电压，但它们之间存在一定的关系。由图2-37所示电路可知

由图2-38可以看到，各个线电压在相位上分别超前其相电压30°，各线电压的有效值为

即线电压等于相电压的3倍。但必须注意，这个关系只适用于电源对称的星形连接的情况。

四、整流电路

1.半导体

大自然的物质类别是极其丰富的。单从导电能力上分，有导体、绝缘体和半导体。

常见的导体有金、银、铜、铁、铝等金属类；常见的绝缘体有胶木、橡胶、陶瓷等。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的特殊物质，常用材料有锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）等。

（1）半导体的性质

①杂敏性　半导体对掺入杂质很敏感。在半导体硅中只要掺入亿分之一的硼（B），电阻率就会下降到原来的数万分之一。因此用控制掺杂浓度的方法，可人为地控制半导体的导电能力，制造出各种不同性能、不同用途的半导体器件。

②热敏性　半导体对温度变化很敏感。温度每升高10℃，半导体的电阻率减小为原来的二分之一。这种特性对半导体器件的工作性能有许多不利的影响，但利用这一特性可制成自动控制系统中常用的热敏电阻，它可以感知万分之一摄氏度的温度变化。

③光敏性　半导体对光照很敏感。半导体受光照射时，它的电阻率显著减小。例如，半导体材料硫化镉（CdS），在一般灯光照射下，它的电阻率是移去灯光后的数十分之一或数百分之一。自动控制中用的光电二极管、光电三极管和光敏电阻等，就是利用这一特性制成的。

（2）本征半导体　完全纯净的半导体叫本征半导体，又称为纯净半导体。

半导体中的原子按照一定的规律，整齐地排列着，呈晶体结构，如图2-39所示，所以半导体管又称为晶体管。

常用的半导体材料是硅和锗。它们的简化原子模型如图2-40所示。

在室温下，价电子获得足够的能量可挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。这时，共价键中就留下一个空位，这个空位称为空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。

在半导体中，有两种载流子，即空穴和自由电子。在本征半导体中，它们总是成对出现。利用杂敏的特性，可以在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。

（3）掺杂半导体　根据掺入杂质性质的不同，掺杂半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体两大类。

N型半导体是在纯净的半导体中掺入五价元素（如磷、砷和锑等）形成的，如图2-41所示，使其内部多出了自由电子，自由电子就成为多数载流子，空穴为少数载流子。

P型半导体是在硅（或锗）的晶体内掺入少量的三价元素形成的，如图2-42所示，如硼（或铟）等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便多产生了一个空穴。控制掺入杂质的多少，便可控制空穴数量。这样，空穴数就远大于自由电子数，在这种半导体中，以空穴导电为主，因而空穴为多数载流子，简称多子；自由电子为少数载流子，简称少子。

2.PN结及其特性

（1）PN结的形成　如果在一块纯净半导体（如硅和锗等）中，通过特殊的工艺，在它的一边掺入微量的三价元素硼形成P型半导体，在它的另一边掺入微量的五价元素磷，形成N型半导体，这样在P型半导体和N型半导体的交界面上就形成了一个具有特殊电性能的薄层——PN结。PN结具有单向导电的性能。这是因为在交界面两侧存在着电子和空穴浓度差，N区的电子要向P区扩散（同样P区的空穴也向N区扩散，称为扩散运动），并与P区的空穴复合，如图2-43（a）所示。在交界面两侧产生了数量相同的正负离子，形成了方向由N到P的内电场，如图2-43（b）所示。这个内电场对扩散运动起阻止作用，同时内电场又对两侧的少子起推进作用，使其越过PN结，称为漂移运动。显然扩散与漂移形成的电流方向是相反的，最终扩散运动与漂移运动达到动态平衡。这样就形成了有一定厚度的PN结。

（2）PN结的特性　如图2-44（a）所示，给PN结外加上正向电压时，由于内电场被削弱，则形成较大的扩散电流，呈现较小的正向电阻，相当于导通；如图2-44（b）所示，若加上反向电压，则内电场加强，只形成极其微弱的漂移电流（因为少子的数量是极少的），相当于截止。这就是PN结的单向导电性能。

3.二极管

在PN结两侧各引出一个电极并加上管壳就形成了半导体二极管，其外形和符号如图2-45（a）和（b）所示。

二极管的正极或称为阳极，用字母a表示，另一边是负极或称为阴极，用字母k表示。正极与P区相连，负极与N区相连。二极管的极性通常标示在它的封装上，有些二极管用黑色或白色色环表示其正负极端。

（1）二极管的类型　根据所用的半导体材料不同，可分为锗二极管和硅二极管；按照管芯结构不同，可分为点接触型、面接触型和平面型，如图2-46所示。

点接触型二极管的PN结接触面积很小，只允许通过较小的电流（几十毫安以下），但在高频下工作性能很好，适用于收音机中对高频信号的检波和微弱交流电的整流，如国产的锗二极管2AP系列、2AK系列等。

面接触型二极管PN结接触面积较大，并做成平面状，它可以通过较大电流，适用于对电网的交流电进行整流，如国产的2CP系列、2CZ系列的二极管都是面接触型的。

平面型二极管的特点是在PN结表面覆盖了一层二氧化硅薄膜，避免PN结表面被水分子、气体分子以及其他离子等沾污。这种二极管的特性比较稳定可靠，多用于开关、脉冲及超高频电路中。国产2CK系列二极管就属于这种类型。

根据二极管用途不同，可分为整流二极管、稳压二极管、开关二极管、光电二极管及发光二极管等。

（2）二极管的伏安特性

图2-47分别是硅二极管和锗二极管的两端电压与其内部的电流的关系曲线，称为伏安特性曲线。图中纵轴的右侧称为正向特性，左侧称为反向特性。

①正向特性　正向连接时，二极管的正极接电路的高电位端，负极接低电位端。当二极管两端的正向电压很小的时候，正向电流微弱，二极管呈现很大的电阻，这个区域称为二极管正向特性的“死区”；只有当外加正向电压达到一定数值（这个数值称为导通电压，硅管0.6～0.7V，锗管0.2～0.3V）以后，二极管才真正导通。此时，二极管两端的正向管压降几乎不变（硅管为0.7V左右，锗管为0.3V左右），可以近似地认为它是恒定的，不随电流的变化而变化。但是从伏安特性曲线可以看出，此时正向电流是随着正向电压的增加而急速增大的，如不采取限流措施，过大的电流会使PN结发热，超过最高允许温度（锗管为90～100℃，硅管为125～200℃）时，二极管就会被烧坏。

②反向特性　二极管反向连接时处于截止状态，仍然会有微弱的反向电流（锗二极管不超过几微安，硅二极管不超过几十纳安），它和温度有极为密切的关系，温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。反向电流是衡量二极管质量好坏的重要参数之一，反向电流太大，二极管的单向导电性能和温度稳定性就差，选择和使用二极管时必须特别注意。

③击穿特性　当加在二极管两端的反向电压增加到某一数值时，反向电流会急剧增大，这种状态称为击穿。对普通二极管而言称为雪崩击穿，意味着二极管丧失了单向导电特性而损坏了。

（3）主要参数　器件的参数是用以说明器件特性的数据，它是根据使用要求提出的。二极管的主要参数及其意义如下。

①最大整流电流IF　指长期运行时晶体二极管允许通过的最大正向平均电流。

②最大反向工作电压URM　指正常工作时，二极管所能承受的反向电压的最大值。

③反向击穿电压UBR　指反向电流明显增大，超过某规定值时的反向电压。

④最高工作频率fM　是由PN结的结电容大小决定的参数。当工作频率f超过fM时，结电容的容抗减小到可以和反向交流电阻相比拟时，二极管将逐渐失去它的单向导电性。

（4）二极管的识别　二极管正负极、规格、功能和制造材料一般可以通过管壳上的标志和查阅手册（本章内容后附有实用资料）来判断，如IN4001通过壳上的标志可判断正负极，查阅手册可知它是整流管，参数是1A/50V；2CW15查阅手册可知它是N型硅材料稳压管。如果管壳上无符号或标志不清，就需要用万用表来检测。

（5）二极管的检测　二极管的检测主要是判断其正负极和质量好坏。

首先将万用表量程调至R×100Ω或R×1kΩ挡（一般不用R×1Ω挡，因其电流较大，而R×10kΩ挡电压过高管子易击穿），然后，将两表笔分别接触二极管两个电极，测得一个电阻值，交换一次电极再测一次，从而得到两个电阻值。一般来说正向电阻小于5kΩ，反向电阻大于500kΩ，如图2-48所示。性能好的二极管，一般反向电阻比正向电阻大几百倍。如两次测得的正、反向电阻很小或等于零，则说明管子内部已击穿或短路；如果正、反向电阻均很大或接近无穷大，说明管子内部已开路；如果电阻值相差不大，说明管子性能变差，在上述三种情况的二极管均不能使用。

4.整流电路

利用二极管的单向导电性，可以把双向变化的交流电转换为单向的直流电，这个过程称为整流。根据所用交流电的相数，整流电路分为单相整流、三相整流与多相整流。

（1）单相半波整流

①电路组成　单相半波整流电路如图2-49所示，图中T为整流变压器，VD是整流二极管，RL是直流负载电阻。

②工作原理　变压器二次侧电压u2作为整流电路的交流输入电压，加在二极管与负载相串联的电路上。设输入电压为：u2=。

在交流u2的正半周，电源a端电位高于b端，二极管VD承受正向电压而导通，电流自电源a端经二极管VD通过负载RL回到电源b端。忽略二极管正向导通时的管压降，则加在负载RL上的电压为u2的正半周电压。在交流u2的负半周，电源b端电位高于a端，二极管VD承受反向电压而截止，电路电流为零。此时负载RL两端电压，即输出电压uO等于零，所以u2的负半周电压全部加在二极管上。电路电压和电流的波形如图2-50所示，这种大小变化、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。

由于整流输出电压仅为输入正弦交流电压的半波，故称为半波整流。

③电路的电压与电流　整流输出电压，即负载RL两端电压为：

uO=0（π<ωt<2π）

整流输出电压大小以其平均值表示，利用高等数学中积分的方法可求得半波整流输出的直流电压平均值等于输入的交流电压有效值的0.45倍。即

UO=0.45U2

通过负载的直流电流的平均值为

通过二极管的正向电流平均值等于通过负载的电流，即IF=IO。

二极管截止时所承受的最大反向电压等于变压器二次侧电压的幅值，即

④整流二极管的选择　由上式可知，二极管反偏时承受的最高电压是，承受的平均电流是IO，实际选用时，要将这两个值乘以（1.5～2）倍的安全系数，再查阅电子元器件手册选取合适的二极管。

单相半波整流电路结构简单，所用整流器件少，但半波整流设备利用率低，而且输出电压脉动较大，一般仅适用于整流电流较小（几十毫安以下）或对脉动要求不严格的直流设备。

（2）单相桥式整流电路

①电路组成　图2-51为单相桥式整流电路。由图可见，四个二极管VD1、VD2、VD3、VD4构成电桥的桥臂，在四个顶点中，不同极性点接在一起与变压器次级绕组相连，同极性点接在一起与直流负载相连。

②工作原理　变压器二次侧电压u2作为整流电路的交流输入电压，设输入电压为：

在交流u2的正半周，电源a端电位高于b端，二极管VD1、VD3承受正向电压而导通，二极管VD2、VD4反向偏置而截止，电流自电源a端经二极管VD1、负载RL和VD3回到电源b端。

在交流u2的负半周，电源b端电位高于a端，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流自电源b端经二极管VD2、负载RL和VD4回到电源a端。由此可见，在交流u2的一个周期内，二极管VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通半个周期，通过负载RL的是两个半波的电流，而且电流方向相同，故称为全波整流。电路电压和电流的波形如图2-52所示

③电路的电压与电流　显然，全波整流输出的直流电压为半波整流的两倍，由于两组二极管轮流工作，所以通过各个二极管的电流为负载电流的一半，二极管截止时承受的反向电压最大值仍然等于输入交流电压幅值。有关计算公式如下：

负载两端的直流电压平均值

UO=0.9U2

通过负载的直流电流的平均值为

通过每只二极管的正向电流平均值

每个二极管承受的最大反向电压

④注意事项　桥式整流电路的四个二极管的正负极不能接反，否则可能发生电源短路，不仅烧毁二极管，甚至烧毁电源变压器。另外二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。桥式整流电路比半波整流电路的效率高，变压器的利用率最高。

工作任务

二极管单相桥式整流测试。

（1）用万用表检测二极管后选用4只正常的二极管。

（2）按图2-53在通用电路板上正确安装元器件，组成桥式整流。

（3）按图2-53实验电路图正确连接组成实验电路，即将电源变压器二次侧加到整流电路输入端，将滑动变阻器串接电流表后并接在整流电路输出端。

（4）测试电路：二极管整流。

①将滑动变阻器RL调至中间值，检查无误后通电源。

②调节RL，使输出端电流表读数IL=0.1A，用万用表交流电压挡测试u2值，记录于表2-1中。

③用万用表直流电压挡测试输出电压值uO，记录于表2-1中。

④将示波器的旋钮或按键设置合适位置，用探头搭接在整流电路输入端（电源变压器二次侧），观察输入电压u2的波形并记录在表2-1中。

⑤把探头搭接在整流电路输出端（即RL两端），观察输出电压uO的波形（注意探头的接法），并记录在表2-1中。