关于“半波整流电路”的说明

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本刊1986年第2期“想想看”中第2题,即半波整流电路接灯泡负载一题的答案有些错误。这是由于我们的疏忽造成的,对此向广大读者深表歉意。现根据作者及有关同志的意见补充说明如下。

图1
图1 🔍原图 (539×243)

原题电路如图1所示。原题假定二极管的特性是理想的,灯泡的灯丝电阻也不随外加电压变化。在不考虑电容C的情况下,则电路为纯电阻负载半波整流电路。这时由于二极管的单向导电作用,所得到的灯泡两端电压不是正弦波,而是正弦半波电压,其波形如图2所示。我们知道,任何一周期性的非正弦量,都可用傅里叶级数法分解为直流、基波和高次谐波分量。也就是说,这个电压除包含直流电压成分外,还包含一定幅度的交流电压成分。而灯泡中的功率也应包括这两部分,其值大小可从电能在灯泡中转换为热能和光能的角度来分析。由于无论是正半周还是负半周,其效果都是一样的,所以半波电压在灯泡中的功率就少了一半。即220V,40W的灯泡在电路中所消耗的功率应为20W。通过计算,在忽略了四次谐波以上的高次谐波时,其结果约为20W。

图2
图2 🔍原图 (612×427)

在考虑电容C作用的情况下,由于C的数值题中并未给出,因此灯泡中的功率只能确定为一个范围。现分析两种极端情况:

(1)电容值很小时,可不考虑电容C的充放电作用。这时灯泡在电路中所消耗的功率与纯电阻负载半波整流电路相同,为20W。

图3
图3 🔍原图 (600×336)

(2)电容值很大时,电容在电路中的充放电作用就不容忽略。当二极管导通时,正向电流除流过灯泡之外,还要给电容充电,使电容中储存一部分电能。而在二极管截止时,电容要通过灯泡放电,即在负半周给灯泡补充了电流。充放电的结果使灯泡两端的电压直流成分增加,交流成分减少,见图3。在电容极大时,可认为交流成分为零,而直流电压为220V正弦交流电压的峰值,即\(\sqrt{2}\)E。此时,灯泡中的功率为:P′=Uo\(^{2}\)/R=(2U)2/R=2·E\(^{2}\)/R。即为原功率P=E2/R的2倍。40W灯泡在电路中所消耗功率为80W。

综上所述,灯泡消耗的功率应在20W~80W之间。(本刊)