用示波器觀察交流電整流波形值得注意的問題

摘 要:文中闡述交流電的半波整流型濾波的基本原理，闡述用示波器觀察全波整流、半波整流、和整流器波形實驗中值得注意的問題。

關鍵詞:整流 濾波 示波器 橋式整流

中圖分類號:O4-0文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)10(c)-0083-02

實驗室常用的直流穩壓電源，它的原理是把交流電壓轉換成直流電壓輸出，這里要使交流電壓變成直流電壓。首先通過變壓器進行降壓變成低壓輸出，然后再把低壓的交流進行整流后，才得到直流電壓。為了使整流后得到的直流電壓平穩，必須通過電容進行濾波和π濾波。這樣直流電壓的輸出才能穩定。因此整流電路在交流電變成直流電起著重要的作用。它不僅在直流穩壓源上應用，而且在許多電子儀器均得到廣泛的應用。

示波器的主要應用在于觀察和測量各種電信號，也可以用來觀測各種非電量的信號。這里主要用于觀察交流的半波整流、全波整流、全波整流電容濾波、全波整流π濾波的波形。

為了讓學生掌握交流電的半波整流、全波整流、電容濾波、π型濾波的原理，我們讓學生設計一橋式整流電路進行實驗，用示波器觀察幾種波形。

1 原理

橋式電路如圖1所示，電路由四個整流二極管D1、D2、D3、D4組成，圖中在二極管D1一個的正極設開關K。當開關K打開時，電路為橋式半波整流。當輸入端為正半周時，D2、D4導通，電流經D2流入，D4流出，D3因為負極的電位高于正極電位，所以處于截止。D1支路不通。當輸入為負半周時，D3導通，D1支路斷開不通，D2和D4截止。當開關K閉合時，電路為橋式全波整流;當輸入端為正半周時，D2、D4導通，D1、D3截止。當輸入端為負半周時，D1、D3導通，D2、D4截止。由此可見，在交流電正負半周都有同一方向的電流輸出。因此，當外加交流電的數值與半波整流電路輸出相等時，全波整流電路中的電壓、電流要比半波整流多一倍。

1.1 半波整流公式推導及波形

由圖1可交流電通過一個半導體二極管時，變成脈動直流電，稱為半波整知，輸出電壓在一個工頻周期內，只是正半周導電，在負載上得到半個正弦波。

負載上輸出平均電壓為

流過負載和二極管的平均電流為

半波整流波形如圖2

1.2 全波整流公式推導及波形

全波整流電路如圖3所示。

由圖3可知，輸出平均電壓為

經過負載的平均電流為

二極管所承受的最大反向電壓

全波整流波形如圖4所示

1.3 電容濾波

電容濾波電路如圖5(a)所示，交流電經過整流后的電壓（電流）仍然有“脈動”的直流電，為了減少波動，通常用電容濾波，電容器是利用電容充電和放電來使脈動的直流電變成平穩的直流電，如圖5（b）所示，濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，達到實現濾波的目的。

1．4 π型濾波圖5全波整流電容濾波電路及波形

π型濾波電路如圖6所示。

從右端輸入的交流電經過二極管整流后，變成脈動直流電，C1、C2是濾波電容，R是π型濾波電阻，RL為負載電阻，輸出的脈動直流電包含有交流和直流成分，脈動直流電輸入后，流經另一由于C1的容量較大，容抗1流過，而路的電較小，所以大部分交流成分經C流就是脈動較小的直流電。但有交、直流兩部分通過C2、RL將產生不同的分流比，使負載兩端有較大的直流電流和很小的交流電流。及交流分量幾乎全部降落在電阻RL上，只有很小一部分降落在電容C2上，從而起到了濾波的作用。

實驗內容及步驟

(1)將全波整流電路輸出端連接到示波器C1通道。

(2)斷開K、K1、K2開關。接通示波器電源開關，調試好示波器。

接通整流電路電源，用示波器觀察半波整流、全波整流電容濾波、π濾波的波形，并將波形拍攝下來。

現將觀察四種波形操作如下:

斷開K、K1、K2此時從示波器看到半波整）流波形如圖7（a）

接通開關K，斷開K1、K2，此時示波器上觀察到形如圖7（b）。全波整流波

接通開關K、K1，斷開開關K2，此時從示波器觀察到全波整流電容濾波的波形如圖7（c）。

接通開關K、K1、K2，此時從示波器上觀察到全波整流π濾波波形如圖7（d）。

以上的觀察到的波形如圖7所示。

2 實驗結果

從實驗中用示波器觀察到的半波整流波形、全波整流的波形、全波整流電容濾波波形、全波整流π型濾波波形與理論分析基本一致，由此可充分說明我們設計的電路及實驗方法是正確的。

實驗故障現象及分析

從實驗理論上，我們可以用低頻信號發生器輸出的交流信號作整流電路的輸入電源，就此筆者在做交流整流濾波電路中，圖個方便，就利用實驗室現有的低頻信號發生器作為整流電路的輸入電源。

將低頻信號輸出端接入整流電路，斷開K、K1、K2開關，用示波器介入負載Rl，從示波器屏幕上能看到半波整流波形。可是當閉合K開關，斷開K1、K2開關，用示波器觀察全波整流波形時，就看不到全波整流波形。無論如何同、斷開關K，始終只能看到半波整流波形，沒看到全波整流波形。問題出現在哪里？開始懷疑設計電路錯誤，經仔細檢查電路設計及連線是正確的，是不是二極管壞了？再用萬用表對二極管進行檢查，檢查結果二極管時好的，沒有壞。為驗證電路的正確及二極管的好壞情況，換用輸入為220V，輸出為6.3V的電源變壓器做整流電源。當斷開K、K1、K2時從示波器能看到半波整流波形;當閉合開關K，斷開K1、K2是也能看到全波整流波形。但當再用低頻信號發生器作整流電路電源進行實驗時卻看不到全波整流波形。究竟問題出現在哪呢？

后來筆者向兩位教電子技術的老師請教和幫助，他們為證實電路的設計的正確及二極管的好壞，重新檢查電路連線及二極管的好壞情況，經仔細檢查都認為電路是正確的，二極管也是好的，再用低頻信號發生器做整流電路電源進行實驗，從示波器也只能看到半波整流波形，不能看到全波整流波形，此問題電子技術教師也沒碰到過。剛開始他們認為低頻信號發生器的功率不夠，后來又換上另一種型號的低頻信號發生器進行試驗，可是任然不能看到全波整流波形。問題出現在哪里？用變壓器輸出作為輸入電源就能看到半波整流和全波整流波形，為什么用低頻信號發生器作交流輸入電源就看不到全波整流波形?后來從通電的電路去分析才發現，問題的所在原因是:低頻信號發生器與示波器沒有公地，當斷開開關K、K1、K2時，電路為半波整流，電流經D2及電阻R和負載RL流到二極管D4輸出，此時就能看到半波整流波形，當閉合開關K，斷開K1、K2時電路為全波整流電路，電流從D2流入，經電阻R和負載RL，但不能從D1流出。因為二極管D1接的是電源的輸出極，不是地，所以就不能形成回路，故不能得到全波整流波形。由此得出結論，在作交流整流進行實驗時，不能用普通低頻信號發生器做交流整流電源。說到這里有人要問為什么用變壓器做交流整流電源就不出現上述問題呢？原因是因為電源變壓器的地與整流電路是隔離的所以不存在上述問題。

參考文獻

[1]張兆奎，繆連元，張立，編.大學物理實驗(第二版)[M].高等教育出版社，2001.12.