二極管變壓變流原理及應用策略探究

◇ 甘肅 張延忠

理想二極管在普通高中學段是一個理想元件,常作為開關、整流元件進行認知,具有單向導電性,正向偏置,電阻很小可視作導線,電路處于導通狀態;反向偏置,電阻可看作無窮大,電路處于截止狀態.但近年來試題設置中讓它在交變電路中與變壓器、功能元件結合,深化了電路等效的認知結構,對學生解決問題提出了極大的挑戰.本文通過例題,依據熱效應等效原理進行詳解,總結出理想二極管在交變電路中與變壓器、功能元件結合后,可在有效值的計算中構建成一原、副線圈匝數比為∶1的理想變壓器(與二極管串聯的電阻可等效成理想變壓器的負載),在瞬時值的計算中看作開關、整流元件,實現化繁為簡,明了結構,找到解決這類問題的捷徑.

例如圖1所示,理想變壓器輸入端接入圖2所示的交流電源,變壓器原、副線圈匝數比n1∶n2＝22∶5,R1是定值電阻,R1＝25Ω,R2是一種敏感性電阻,只能允許一個方向通過電流,其阻值為25Ω,為保證它正常工作,讓它與一理想二極管相連,二極管D具有單向導電性,即正向電阻為零,反向電阻無窮大.

圖1

圖2

(1)請計算電壓表 ○V 、○V1、○V2,電流 表 ○A 、○A1、○A2、○A3的示數.

(2)請計算t＝0.002 5 s時,流過原、副線圈和兩電阻的瞬時電流(變壓器變壓后電壓極性不變,此時二極管正向偏置).

(3)設變壓器及二極管引起的電流的極性不變,請你畫出流過R1、R2瞬時電流的圖象.

解析

(1)電壓表與電流表均為理想表,所顯示的示數為交流電的有效值.

電壓表○V測量的是原線圈兩端的電壓的有效值,根據u＝220sin 100πt(V)可得,電壓表的示數U＝220 V.

電阻R2消耗的功率W＝50 W.電阻R1消耗的功率P1＝U1I2＝50×2 W＝100 W.變壓器的輸出功率P＝P1＋P2＝150 W,則所測通過副線圈的電流.

理想變壓器的輸入功率等于輸出功率,P＝UI＝150 W,測量通過原線圈的電流,則變壓器的輸入電流.

(3)變壓器及二極管引起的電流的極性不變,根據歐姆定律及理想二極管的單向導電性可知,流過R1瞬時電流的圖象如圖3所示,流過R2瞬時電流的圖象如圖4所示.

圖3

圖4

小結由上題求解過程可知,計算有效值時,本題中副線圈的輸出電壓是理想二極管與R2串聯后的總電壓,是理想二極管之前的電壓,而R2兩端的電壓是理想二極管之后的電壓,后者是前者的所測通過副線圈的電流I1＝3 A,是副線圈的輸出回路中干路上的電流,流過R1的電流I2＝2 A,根據并聯電路中電流分配原理,流過二極管的電流是1 A,可理解為流入理想二極管的電流,經過二極管流出,即流過R2的電流I3＝A,后者是前者的倍.

而計算瞬時值,在二極管導通狀態,前后的電壓、電流均相同.產生這種現象的本質是什么呢?這是因為計算有效值時,理想二極管在交變電流中由于單向導電性而進行整流,但理想二極管不耗能,所以前后功率相等,根據熱效應等效處理,所以前后有效值不相等.計算瞬時值,二極管導通狀態看作電阻為零的導線,截止時看作電阻無窮大的絕緣體,所以導通時前后電流相等,截止時前后電流為零.由此可見,理想二極管接在交變電路中,計算有效值與瞬時值要按不同模型處理.