從設(shè)計(jì)的角度講授單相整流電路

蔣 琳, 江 萍, 方 敏

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院， 安徽 合肥 230000)

0 引言

單相整流電路是《電工學(xué)》(下冊) 第18章“電子技術(shù)”的重要內(nèi)容，它是直流穩(wěn)壓電源的重要組成部分，功能是將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動電源[1]。單相橋式整流電路應(yīng)用非常廣泛，生活中很多電器產(chǎn)品比如筆記本電腦、手機(jī)、生產(chǎn)中的蓄電池充電、直流電動機(jī)等都需要用到直流電。此外，很多裝置中還需要用到電壓非常穩(wěn)定的直流電源。

單相整流電路傳統(tǒng)的教學(xué)方法思路清晰、脈絡(luò)清楚，一般按下列步驟進(jìn)行，如圖1所示[2,3]。

然而，多年的教學(xué)工作中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)

圖1 傳統(tǒng)的教學(xué)步驟

方法存在一些問題：①學(xué)生對電路結(jié)構(gòu)常常死記硬背也記不住，雖然有些教師會總結(jié)出口訣，可是口訣也還脫離不了死記硬背，學(xué)生不清楚電路結(jié)構(gòu)的由來是問題的癥結(jié)；②學(xué)生對電路的參數(shù)容易混淆，這是沒有認(rèn)真比較三種電路帶來的后果；③學(xué)生對電路故障判斷不清，無法產(chǎn)生直觀的認(rèn)識和感受。

其實(shí)，單相整流電路的教學(xué)內(nèi)容，非常適合設(shè)計(jì)成一個循序漸進(jìn)、由易到難的電路設(shè)計(jì)過程，在這個過程中，教師先提出問題：如何將雙向交流電壓轉(zhuǎn)換成單向脈動電壓？然后由學(xué)生通過思考，討論著手解決問題：如何搭建電流通路，如何選用器件？教師通過改變傳統(tǒng)的傳授知識的教學(xué)模式，把單相整流電路的講授按照下列新的步驟進(jìn)行，見圖2所示。

圖2 新的教學(xué)步驟

其中，電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是教師帶領(lǐng)學(xué)生循序漸進(jìn)的設(shè)計(jì)過程；電路參數(shù)設(shè)計(jì)是教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行的觀察比較過程；最后，教師用EWB仿真帶領(lǐng)學(xué)生直觀地感受電路的故障并學(xué)會分析問題解決問題的方法。

1 單相整流的電路的教學(xué)過程

1.1 電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)半波整流電路的設(shè)計(jì)

首先，教師應(yīng)讓學(xué)生明確整流的概念：將雙向變化的交流電壓轉(zhuǎn)化成單向脈動電壓。然后，啟發(fā)學(xué)生：以前學(xué)過的什么元器件具有只能流過一個方向電流的功能即單向?qū)ㄐ阅?？一般情況下，大部分學(xué)生能夠想到二極管和負(fù)載串聯(lián)的電路，教師此時可告訴學(xué)生：你們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了單相半波整流電路。接著繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生：這個單相半波整流電路的優(yōu)缺點(diǎn)在哪里？由于學(xué)生已經(jīng)有了二極管知識的基礎(chǔ)，所以他們可以自己分析得出輸出電壓的波形，并且能總結(jié)出半波電路的缺點(diǎn)：只利用了交流電源的半個周期，電源的利用率低；輸出直流成分較低，輸出波形的脈動大。

2)全波整流電路的設(shè)計(jì)

為了改善半波整流電路的缺點(diǎn)，很自然會想到怎樣才能利用交流電源另半個周期。教師此時可提醒學(xué)生：關(guān)鍵在交流電源負(fù)半周的時候給電流提供一個通路。教師給出圖3所示的電路，針對具有中心抽頭的變壓器，復(fù)習(xí)同名端的概念，然后啟發(fā)學(xué)生：在電源負(fù)半周的時候，電流是從c點(diǎn)出發(fā)，回到b點(diǎn)，同時負(fù)載上電流方向保持不變，至此，單相全波整流電路便設(shè)計(jì)成功了。

圖3 全波整流電路的設(shè)計(jì)過程 圖4 橋式整流電路的設(shè)計(jì)過程

同樣，教師可組織學(xué)生討論全波整流的缺點(diǎn)：具有中心抽頭的變壓器、工藝復(fù)雜、成本較高且要求二極管的耐壓高。如何改進(jìn)？很自然地進(jìn)入下一步。

3)橋式整流電路的設(shè)計(jì)

教師分析：如果不要中心抽頭的變壓器，那么交壓器就只有一個副邊，在電源負(fù)半周的時候，電流必須從b點(diǎn)回到a點(diǎn)，同時保證負(fù)載上電流不變，如何給電流提供一條新的僅供負(fù)半周時流通的通路(見圖4)？學(xué)生經(jīng)過思考，可以畫出圖中的交叉線，并且考慮到這條通路正半周時不能導(dǎo)通，會添上方向正確的二極管D2和D4。不過，D3可能會被遺忘，此時只要教師稍稍點(diǎn)撥一下是否會出現(xiàn)短路即可。

在這個過程中，教師為學(xué)生揭開了“電路設(shè)計(jì)”這層神秘的面紗，讓學(xué)生感受到“電路設(shè)計(jì)”并不是遙不可及的事，而是一個循環(huán)漸近的周密而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程。

1.2 電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和比較

教師首先以單相橋式整流電路為例，定義各個參數(shù)并計(jì)算。然后組織學(xué)生對三個電路的結(jié)構(gòu)和輸出波形進(jìn)行比較，重點(diǎn)比較三個電路中二極管的導(dǎo)通周期和承受的最大反向電壓。最后組織學(xué)生分組討論，根據(jù)橋式整流電路的參數(shù)來對比寫出其他兩個電路的參數(shù)，并繪制如表1的表格。(蔣 琳等文)

表1單相整流電流的參數(shù)

1.3 電路的故障判斷

教師在Multisim軟件上進(jìn)行整流電路仿真(如圖5)，教會學(xué)生用仿真軟件來分析處理問題。并且給出故障波形(如圖6)，組織學(xué)生討論故障原因。

圖5 仿真電路

圖6 故障波形

2 結(jié)語

在單相整流電路的教學(xué)中，我們突破了傳統(tǒng)的按部就班的分析法，用新穎的設(shè)計(jì)法取而代之，同時穿插了啟發(fā)法、討論法和比較法等形式多樣的教學(xué)方法，并且應(yīng)用了Multisim仿真軟件，讓學(xué)生感受更為直觀。

通過設(shè)計(jì)法講授的單相整流電路，學(xué)生不僅對三種電路的結(jié)構(gòu)、原理和參數(shù)掌握得更加透徹，而且對三種電路的優(yōu)缺點(diǎn)也心知肚明。該方法還能激發(fā)學(xué)生對于電路設(shè)計(jì)的興趣，消除了他們對電子技術(shù)的畏難心理。

[1] 秦曾煌主編. 電工學(xué)(第七版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009年6月.

[2] 嚴(yán)萍. 單相橋式整流電路的教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 成都: 時代教育, No.6:18.

[3] 謝妮. 單相橋式整流電路的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新[J]. 石家莊:科技風(fēng), 2014.6.