当今教育，对研究性学习已经提出了很高的要求。实验修订本的高中物理教科书中也提供了一些研究课题。本文准备对二极管半波整流的日常应用与节能问题予以研究，期望能够抛砖引玉。其中二极管的知识在教科书（第二册）学生实验十中已有介绍，如果想让学生选做其中的部分实验，电度表的接线可以直接告诉学生，由于用到220V的交流电，要提醒学生注意安全，所有接线接好后，再打开电源或插上插头。该文中的有关实验最好在教师的具体指导下进行。但愿本文能为中学物理教学提供一些课题进行研究。![]()
一、典型电路
让二极管与用电器串联在一起（这里的用电器一般是电热器具,像电烙铁、电炉子、电饭锅、电炒锅、电热毯、电灯泡、电吹风等），然后加上交流电压，这就是最常用的二极管半波整流电路。电路如图1所示。
二、实际应用
在图1中，若二极管的两端并联一只开关K，则当开关闭合时，用电器恢复原状。这样既扩展了这些用电器的功能，还能延长用电器的使用寿命，很有实用价值。
图1中，若用电器是电烙铁，K闭合可以使电烙铁快速升温，K断开则可起保温作用，能够防止连续使用时电烙铁的“烧死”现象，接着使用时再闭合K，则电烙铁又能迅速升温，使用很方便；若用电器是电饭锅（或电炒锅），相当于给锅增加了一个挡位，可以提供两种温度，先将K闭合，待水沸腾后改用低挡（K断开），用于煲粥，可以防止粥汤溢出，用于蒸饭，则可以使米饭松软；若用电器是灯泡，则K断开时可以降低灯泡的亮度，对延长灯泡的使用寿命效果明显；若用电器是电吹风，则在原冷热风的基础上，再提供两种冷热微风，同时能够有效地避免电吹风内的易损件——限流电阻的损坏。其实，这也是我们常见的调温电热毯的调温原理。
三、关于节能问题
对这个问题，我们以电灯泡为例进行讨论。
1．理论计算。先作两点假设：第一，二极管为理想二极管；第二，用电器的电阻随温度的变化可以忽略。
图1中半波整流后的电压为脉动直流电，属于非正弦交流电，设其电压为U’，而整流前的输入电压为正弦交流电，设其电压为U，则由理论计算可知整流后的脉动直流电压的有效值为U’＝![]() U（注：有效值是根据电流的热效应来定义的，平常我们所说的电压都是指有效值。例如：我们常用的交流电电压为220V，就是指有效值）。根据功率公式P=![]() ,可以算出图1中开关K断开时用电器的功率P’＝![]() 。即加装二极管后用电器的实际功率变为原功率的一半。
2．实际测量。本人用2.5A家用电度表，通过测量一段时间内灯泡的耗电量计算出了加装二极管后灯泡的实际功率，现列表如下，供大家参考。实验时所用二极管为IN4007。由于本人测量时电网电压在235V～245V之间变化，所以也测量了未加装二极管时灯泡的实际功率，并计算出了加装二极管后与加装前灯泡消耗的实际功率的比值（发现结果约为0.60），一并列表。
由前边的分析及测量列表可以得出结论：加装二极管后，从理
论上讲灯泡的实际功率为原功率的一半，即可以节能50％，但实际测量结果是节能40％左右。
四、两点注意
1．实际工作中，二极管的最大反向工作电压必须大于220 V（当电源电压为220V时），常取最大反向电压大一些的二极管使用，如IN4007、IN5408等。若实在不能满足，可以用几只二极管串联代替一只二极管（注意极性，且尽量不用此法）。例如可以用两只IN4003（1A，200V）串联代替一只IN4004（1A，400V）。
2．二极管的最大整流电流必须大于电路中的实际电流。若不能满足，则可以用几只二极管并联代替（注意极性）。例如可以用三只IN4007（1A，1000V）并联代替一只IN5408（3A，1000V），用电器电流较大时可以将两只IN5408并联使用（此法在实践中经常采用）。
五、与本文有关的几个参考研究课题
1．加装二极管前后，电炉子烧水与所用时间的关系。
2．观察电度表转盘的转数与用电器的功率及时间的关系。
3．查找资料或上网，总结几种整流二极管的参数。
4．调查统计（可以全班参与）：对比加装二极管前后，电灯泡的使用寿命。 |
楼主
标题置顶
标题高亮
