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全桥整流等效负载阻抗是多少?

简 介: 在许多交流电许多交流电应用,即整流后交流电驱动实际直流负载。那么,从整流桥的输入端来看,负载的阻抗是多少呢?由于整流过程总是伴随着非线性过程,因此推断和解决整流阻抗具有一定的复杂性。通过一定的条件简化,研究了全波整流对应的等效阻抗的变化。

01 整流负载阻抗


??几天前,为了进行无线电传输实验,对整流电路对应的负载阻抗进行了实验研究。具体结果见: 。利用全桥电路对无线电接收线圈输出的高频交流电进行整流,驱动后直流负载是大多数接收电路的结构。因此,研究全桥整流负载电阻抗具有重要的理论和实际意义。

▲ 对应桥梁整流电路的负载阻抗

??根据F. Pellitteri 等人在论文 给出的公式(4)指出全桥负载电阻为 R L R_L RL桥电路输入端口对应的等效电阻为: R L = 8 π 2 R 1 R_{L} = {8 \over {\pi ^2 }}R_1 RL=π28R1​

  在通过对于负载R1=100Ω时,全桥整流电路等效电阻测量为:93Ω左右,这与: R L = 8 π 2 × 100 = 81    Ω R_L = {8 \over {\pi ^2 }} \times 100 = 81\,\,\Omega RL​=π28​×100=81Ω

  计算出来的理论值相比,实测的电阻偏大。这部分的电阻有可能来自于整流桥电路本身的等效阻抗。那么,问题来了:

  下面尝试一下这个等效的阻抗公式的推导过程。

 

02 全桥整流负载阻抗


1.推导方法

(1)计算原理

  求解全桥整流等效电阻采用在测量相同的方式,假设一个带有内阻 R 0 R_0 R0​的正弦高频信号源发送电压 U 1 U_1 U1​。当连接到整流负载之后,测量输出电压 U 1 U_1 U1​,那么整流负载等效电阻为:

R e q = U 2 U 1 − U 2 R 0 R_{eq} = { {U_2 } \over {U_1- U_2 }}R_0 Req​=U1​−U2​U2​​R0​

▲ 使用带有内阻信号源来测量负载阻抗

  上面公式中的 U 0 , U 1 U_0 ,U_1 U0​,U1​都使用信号的有效值。

  下图显示了在前面实验中实测的 U 2 的 波 形 , 可 以 看 到 由 于 存 在 滤 波 电 容 U_2的波形,可以看到由于存在滤波电容 U2​的波形,可以看到由于存在滤波电容C_1$,实测整流桥上的电压波形呈现被限钳位的电压波形。

▲ 整流桥中波形

(2)条件简化

  为了方便理论推导,做如下的简化假设:

  • 假设桥电路中的二极管是理想二极管:正向导通电阻、电压都为0;反向电阻为无穷大;
  • 信号的周期 T 0 T_0 T0​远远小于整流之后的负载 C 1 ⋅ R 1 C_1 \cdot R_1 C1​⋅R1​对应的时间周期;

  在上述简化假设条件下,桥电路上的电压波形为

▲ 桥电路施加电压波形

  上面假设信号源 U 1 = sin ⁡ ( t ) U_1 = \sin \left( t \right) U1​=sin(t)。假设在稳态时,整流滤波电容 C 1 C_1 C1​上的电压为 E 1 E_1 E1​。因此,等电压幅值超过 ± E 1 \pm E_1 ±E1​时,就被电容上的电压钳位了。

  根据给定的 R 0 , R 1 R_0 ,R_1 R0​,R1​推导出对应的桥电路的等效电阻 R e q R_{eq} Req​。

2.推导过程

  为了方便,假设信号源输出的信号为 f ( t ) = sin ⁡ ( t ) f\left( t \right) = \sin \left( t \right) f(t)=sin(t)   它对应的有效值为: 2 / 2 = 0.707 V \sqrt 2 /2 = 0.707V 2 ​/2=0.707V。

(1)求解E1

  为了计算中“梯形正弦波”的有效值,则需要确定 E 1 E_1 E1​的数值。根据前面的假设,根据电容上充电和放电相平衡的原理,确定 E 1 E_1 E1​。

  下面只对半个周期 t ∈ ( 0 , π ) t \in \left( {0,\pi } \right) t∈(0,π)过程进行分析。信号源在 t ∈ ( t 1 , π − t 1 ) t \in \left( {t_1 ,\pi - t_1 } \right) t∈(t1​,π−t1​)时间段,通过 R 0 R_0 R0​对于滤波电容进行充电,充电电荷为:

Q c = ∫ t 1 π − t 1 sin ⁡ ( t ) − E 1 R 0 d t Q_c = \int_{t_1 {\kern 1pt} }^{\pi - t_1 } { { {\sin \left( t \right) - E_1 } \over {R_0 }}dt} Qc​=∫t1​π−t1​​R0​sin(t)−E1​​dt

  在 ( 0 , π ) \left( {0,\pi } \right) (0,π)过程中,滤波电容通过 R 1 R_1 R1​放电,释放电荷: Q d = E 1 R 1 π Q_d = { {E_1 } \over {R_1 }}\pi Qd​=R1​E1​​π

  根据 Q d = Q c Q_d = Q_c Qd​=Qc​,以及 E 1 = sin ⁡ ( t 1 ) E_1 = \sin \left( {t_1 } \right) E1​=sin(t1​)。可以得到关于 E 1 E_1 E1​的方程: 1 R 0 ∫ arcsin ⁡ ( E 1 ) π − arcsin ⁡ ( E 1 ) [ sin ⁡ ( t ) − E 1 ] d t = E 1 R 1 π {1 \over {R_0 }}\int_{\arcsin \left( {E_1 } \right)}^{\pi - \arcsin \left( {E_1 } \right)} {\left[ {\sin \left( t \right) - E_1 } \right]dt} = { {E_1 } \over {R_1 }}\pi R0​1​∫arcsin(E1​)π−arcsin(E1​)​[sin(t)−E1​]dt=R1​E 标签: 无穷电阻网络的等效电

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