半波整流滤波电路的仿真实验及研究

第９卷第３期　２０１　１年６月　实验利．学与技术　Ｅｘｐｅｌ’ｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏ１％７　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１１　

半波整流滤波电路的仿真实验及研究　

杨育霞，李志辉　

（郑州大学电气工程学院，郑州４５０００１）　

摘要：对半波整流滤波电路进行ＯｒＣＡＤ仿真分析，直观形象地揭示此电路多种特性，为正确理解电路与系统中许多重要理　论和概念提供方便快捷的途径。仿真并研究负栽电压的波形、频谱、纹波比和有效值，并首次绘制了纹波比和有效值与时　间常数的关系曲线。提供在仿真过程中应注意的几个电路理论问题和仿真技巧。　关键词：半波整流滤波；电路仿真；纹波；有效值　中图分类号：Ｇ６４２．０　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７２—４５５０（２０１１）０３—００１７—０３　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈａｌｆ——ｗａｖｅ　

Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　

ＹＡＮＧ　Ｙｕ—ｘｉａ，ＬＩ　Ｚｈｉ—ｈｕｉ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　０ｒ｛：ＡＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌ１ａｌｌ－ｗａｖｅ　ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ。ｍａｎｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｉｒ—　ｃｕｌｔ　ａｌｅ　ｏｐｅｎｅｄ　ｏｕｔ　ｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙ　ａｎｄ　ａｎ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｕｎｄｍ￣ｔａｎｄ　ｍａｎｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｕｐｐｌｉｅｄ．　Ｔｈｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｒｉｐｐｌｅ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ　ａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｔｉｌｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ　ｔｏ　ｐｒｏｔｒａｃｔ　ｔｈｅ　ｒｉｐｐｉｅ　ｒａｔｉｏ—ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ—ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　ｃｕｒｖｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｓｅｖｅｒａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｈｅｏｒｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｋｉｌｌ　ｔｈａｔ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐａｉｄ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｌｆ－ｗａｖｅ　ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｉｐｐｌｅ；ｖｉｒｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ　

半波整流滤波电路是一种基本整流电路，电路　虽然简单，但却涉及电路与系统理论中的傅里叶分　

析、非线性电路、滤波器设计、频率特性分析、信　号分析与处理等诸多重要理论与概念。以往对这些　

理论与概念的理解主要靠严谨但繁琐的数学推导，　

容易使人产生畏难情绪，影响深人学习探索的兴　趣。一些教材只提供了电路参数选取的粗略模糊范　围…，还有书籍和文献用半波整流滤波电路组成　

调压器　Ｊ，但分析中有一些错误。因此有必要对　

半波整流滤波电路用计算机仿真分析的方法进行直　观形象的分析，使原来很难理解的概念一目了然。　

辅助数学分析手段深入全面掌握电路的特性，并澄　清某些文献中的错误说法，以利于正确使用半波整　

流滤波电路。本文借助ＯｒＣＡＤ电路仿真软件对半　

波整流滤波电路进行全面、直观、准确的分析。　

半波整流滤波电路由一个串联在电源的整流二　极管和并联在电阻负载的可变电容组成，如图１所　

收稿日期：２０１０—０７—１３；修改日期：２０１０—０９—０６　作者简介：杨育霞（１９５６一），女，硕士，教授，从事电路、　信号与系统等课程的教学，研究方向：电路与　系统分析、信号处理、电磁兼容等。　示。在电容Ｃ＝０情况下，电源“　正弦波经二极管　整流后为一个半波整流电压，它是一个脉动很严重　

的直流信号，含有丰富的谐波分量。随着电容的增　加，电源波形上升时，电容经二极管充电；电源波　

形下降时，二极管反向截止，电容经电阻放电。电　源波形再次上升并大于电容电压时，电容又被充　

电。这样周而复始地充放电，使负载上的脉动波形　趋于平缓，谐波被抑制，直流成分占的比重增大，　

致使负载电压有效值变大。　

图１半波整流滤波电路　

ｌ　负载电压波形仿真分析　

利用ＯｒＣＡＤ的瞬态分析特性和全局参数扫描　

方法进行分析Ｅ４　Ｊ。图２中波形１是Ｒ＝１．２１　ｋｎ，

　·ｌ８·　实验科学与技术　

电容为０的情况，电路没有过渡过程，一开始就处　

于稳态。从波形２开始，电容分别为５　、２０　

Ｆ、５０　ＩｘＦ、１００　ｔｘＦ和５００　ｔｘＦ，在电源每一个周　

期里，放电速度越来越慢，波形越接近直流，滤波　

的效果越好。波形３是电容为２０　，负载电阻分　

别取４８４　ｎ、８０６　ｎ、１　２１０　Ｑ、１　９３６　ｎ和３　２２７　ｎ　

时电阻两端电压波形的变化情况，电阻越大波形越　

接近直流，滤波的效果越好。　

经过分别对电阻尺和电容Ｃ进行参数扫描并计　

算分析，发现不论　和ｃ取多大，只要ｆ＝ＲＣ相　

等，对应的负载电压波形就完全相同。这正可以表　

明，时间常数　在过渡过程中决定充放电的快慢。丁　

越大，电容放电越慢，波形越往上。变化越平稳，　

交流成分越小。当　＞１０　Ｓ时，暂态时间超过２５　ｍｓ。　

图２不同电容参数的负载电压　

２　负载电压频谱仿真分析　

仅从波形无法搞清楚各波形到底被滤掉了哪些　

谐波分量，还保留哪些谐波分量，因此在瞬态分析　

完成后，通过傅里叶分析，计算瞬态分析输出结果　

的直流、基波和各次谐波分量。　

在时间常数从０～１　０００　ｍｓ范围内对电路进行　

＿厂／Ｉ１ｚ　（ｃ）ｃ＝ｌ　２１Ｉ＂１１　Ｓ　

图３输出电压频谱　傅里口ｔ－分析计算。图３（ａ）是７＝０情况下负载电压　

的频谱，其波形对应于图２波形１的正弦半波整流　

波形，它的基波分量很大为１５５　Ｖ，其次是直流分　

量为９９　Ｖ，２次谐波分量为６６　Ｖ，其他各次谐波较　

小，因此图中只显示前５次谐波；图３（ｂ）是丁＝２４　

ｍｓ情况下负载电压的频谱，它的直流分量变大为　

２３２　Ｖ，基波分量减小为６２　Ｖ，２次谐波分量也减　

小为３０　Ｖ，可以看出波形的频谱发生了很大变化。　

这是电路并人电容后产生的滤波效果。随着时间常　

数逐渐增大，直流分量继续增加，基波和其他谐波　

分量继续减小。当丁＝１２１　ｍｓ时，直流分量达到　

２８９　Ｖ，基波和其他谐波分量几乎为０，如图３（ｃ）　

所示。当　＝１　０００　ｍｓ时，直流分量达到３０７　Ｖ，　

它已经是一个直流输出电压了。从图３看出，随电　

容变大时间常数增大。电路不只是简单地滤掉半波　

整流波形的交流分量，更可以增强半波整流波形的　

直流分量。　

３　负载电压纹波比与时间常数的关系曲线　

频谱可看出，在时间常数小于１　Ｓ范围内，其　

基波和谐波分量不为零，也就是存在纹波。电压纹　

ｒ，　波比定义为　＝　，其中，Ｕ　为输出电压交流　Ｕ一　分量有效值；Ｕ一为输出电压直流分量。　

令电阻　从１００～１００　ｋＱ变化，电容从０～　

０．０１　Ｆ变化，计算输出电压的频谱，进而利用定　

义式计算电压纹波比。采用ＭＡＴＬＡＢ仿真软件绘　

制输出电压纹波比与时间常数的关系曲线　如图４　

所示。从图４可知，当时间常数取０～４００　ｍｓ时，　

输出电压纹波比为１．】～０．Ｏｌ。当　小于０．０５　Ｓ　

时，纹波比变化很快；丁大于０．１　ｓ之后，纹波比　

变化就变得很慢，即使加大电容提高时间常数电路　

也不能明显增强滤波效果。它可以提示设计者经济　

合理地选择电路参数。　

４　负载电压有效值与时间常数的关系曲线　

有些文献认为输出电压的直流分量就代表输出　电压的大小＿２』。通过频谱分析可以清楚的看出，　

输出电压中除了直流分量外，还有基波和其他谐波　

分量，当时问常数小于５０　ｍｓ时，基波和谐波不能　

忽略不计。因此，输出电压大小的量应该由有效值　

来表征，而不是由直流分量来表征。　（下转第８９页）

　第９卷第３期　陈安，等：电工电子特色实验项目建设的探索与实践　·８９·　

（上接第１８页）　

图４　ｕ　～　关系曲线　

图５“一ｒ关系曲线　

为了找出定量关系，有必要绘制输出电压有效　

值与时间常数关系曲线。采用ＭＡＴＬＡＢ计算仿真　

软件绘制输出电压有效值与时间常数的关系曲线如　

图５所示。从图５可以看出，当时间常数取０～　

４００　ｍｓ时，输出电压有效值为１５５—３００　Ｖ。这一　

关系曲线的绘制为设计电路提供了方便快捷的手　段，使电路参数与电压有效值之间成为简单的二维　

关系。选取电路参数时只需根据设计需要的电压有　

效值ｕ，从曲线中找到对应的时间常数丁，再根据　已知的负载电阻Ｒ计算出应取的电容Ｃ＝　Ｒ　即可。　

５结束语　

在电源的每一个周期时间段内是局部过渡过　程，时间常数越大，波形变化越缓慢；在电源开始　加入电路的第１个周期内，电压从零开始上升然后　

下降，当时间常数小于５　ｓ时，电压从电源的第２　个周期开始进入整体稳态即周期状态。这个规律为　

进行负载电压的稳态部分的周期信号傅里叶分析提　供了准确的时间取舍根据。　

输出电压波形的形状、频谱、有效值、纹波比　都由电路的时间常数丁＝ＲＣ决定。图４的　一丁关　

系曲线和图５的ｕ～　关系曲线可以为电路的参数　选取提供直观简便的依据。　

参考文献　

［１］　张纪成．电路与电子技术中册［Ｍ］．北京：电子工　业出版社，２００７．　［２］　陈有卿．实用灯光控制电路３００例［Ｍ］．北京：电力　出版社，２０ｏ５．　［３］　姚齐国，朱玲．半波整流一滤波电路的两种不同解　法［Ｊ］．青岛理工大学学报，２００７，２８（４）：８３—８６．　［４］　王辅春．从实例中学习ＯｒＣＡＤ［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，２００６．　［５］　赵录怀，杨育霞，张震．电路与系统分析——使用　ＭＡＴＬＡＢ［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．