从设计的角度讲授单相整流电路

蒋 琳, 江 萍, 方 敏

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230000)

0 引言

单相整流电路是《电工学》(下册) 第18章“电子技术”的重要内容，它是直流稳压电源的重要组成部分，功能是将交流电转换成单向脉动电源[1]。单相桥式整流电路应用非常广泛，生活中很多电器产品比如笔记本电脑、手机、生产中的蓄电池充电、直流电动机等都需要用到直流电。此外，很多装置中还需要用到电压非常稳定的直流电源。

单相整流电路传统的教学方法思路清晰、脉络清楚，一般按下列步骤进行，如图1所示[2,3]。

然而，多年的教学工作中，我们发现传统的教学

图1 传统的教学步骤

方法存在一些问题：①学生对电路结构常常死记硬背也记不住，虽然有些教师会总结出口诀，可是口诀也还脱离不了死记硬背，学生不清楚电路结构的由来是问题的症结；②学生对电路的参数容易混淆，这是没有认真比较三种电路带来的后果；③学生对电路故障判断不清，无法产生直观的认识和感受。

其实，单相整流电路的教学内容，非常适合设计成一个循序渐进、由易到难的电路设计过程，在这个过程中，教师先提出问题：如何将双向交流电压转换成单向脉动电压？然后由学生通过思考，讨论着手解决问题：如何搭建电流通路，如何选用器件？教师通过改变传统的传授知识的教学模式，把单相整流电路的讲授按照下列新的步骤进行，见图2所示。

图2 新的教学步骤

其中，电路的结构设计是教师带领学生循序渐进的设计过程；电路参数设计是教师带领学生进行的观察比较过程；最后，教师用EWB仿真带领学生直观地感受电路的故障并学会分析问题解决问题的方法。

1 单相整流的电路的教学过程

1.1 电路的结构设计

1)半波整流电路的设计

首先，教师应让学生明确整流的概念：将双向变化的交流电压转化成单向脉动电压。然后，启发学生：以前学过的什么元器件具有只能流过一个方向电流的功能即单向导通性呢？一般情况下，大部分学生能够想到二极管和负载串联的电路，教师此时可告诉学生：你们已经设计出了单相半波整流电路。接着继续启发学生：这个单相半波整流电路的优缺点在哪里？由于学生已经有了二极管知识的基础，所以他们可以自己分析得出输出电压的波形，并且能总结出半波电路的缺点：只利用了交流电源的半个周期，电源的利用率低；输出直流成分较低，输出波形的脉动大。

2)全波整流电路的设计

为了改善半波整流电路的缺点，很自然会想到怎样才能利用交流电源另半个周期。教师此时可提醒学生：关键在交流电源负半周的时候给电流提供一个通路。教师给出图3所示的电路，针对具有中心抽头的变压器，复习同名端的概念，然后启发学生：在电源负半周的时候，电流是从c点出发，回到b点，同时负载上电流方向保持不变，至此，单相全波整流电路便设计成功了。

图3 全波整流电路的设计过程 图4 桥式整流电路的设计过程

同样，教师可组织学生讨论全波整流的缺点：具有中心抽头的变压器、工艺复杂、成本较高且要求二极管的耐压高。如何改进？很自然地进入下一步。

3)桥式整流电路的设计

教师分析：如果不要中心抽头的变压器，那么交压器就只有一个副边，在电源负半周的时候，电流必须从b点回到a点，同时保证负载上电流不变，如何给电流提供一条新的仅供负半周时流通的通路(见图4)？学生经过思考，可以画出图中的交叉线，并且考虑到这条通路正半周时不能导通，会添上方向正确的二极管D2和D4。不过，D3可能会被遗忘，此时只要教师稍稍点拨一下是否会出现短路即可。

在这个过程中，教师为学生揭开了“电路设计”这层神秘的面纱，让学生感受到“电路设计”并不是遥不可及的事，而是一个循环渐近的周密而严谨的过程。

1.2 电路的参数设计和比较

教师首先以单相桥式整流电路为例，定义各个参数并计算。然后组织学生对三个电路的结构和输出波形进行比较，重点比较三个电路中二极管的导通周期和承受的最大反向电压。最后组织学生分组讨论，根据桥式整流电路的参数来对比写出其他两个电路的参数，并绘制如表1的表格。(蒋 琳等文)

表1单相整流电流的参数

1.3 电路的故障判断

教师在Multisim软件上进行整流电路仿真(如图5)，教会学生用仿真软件来分析处理问题。并且给出故障波形(如图6)，组织学生讨论故障原因。

图5 仿真电路

图6 故障波形

2 结语

在单相整流电路的教学中，我们突破了传统的按部就班的分析法，用新颖的设计法取而代之，同时穿插了启发法、讨论法和比较法等形式多样的教学方法，并且应用了Multisim仿真软件，让学生感受更为直观。

通过设计法讲授的单相整流电路，学生不仅对三种电路的结构、原理和参数掌握得更加透彻，而且对三种电路的优缺点也心知肚明。该方法还能激发学生对于电路设计的兴趣，消除了他们对电子技术的畏难心理。

[1] 秦曾煌主编. 电工学(第七版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009年6月.

[2] 严萍. 单相桥式整流电路的教学设计[J]. 成都: 时代教育, No.6:18.

[3] 谢妮. 单相桥式整流电路的设计与创新[J]. 石家庄:科技风, 2014.6.