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一个二极管到底切掉了什么?

只看楼主收藏回复

本帖因LZ这几天在本吧看到一个感到意外的问题而发。原问题标题:“师傅们,这道题怎么选”,原题图如下:

LZ感到意外是因发现一个明确问题,后面的回复竟然有多个不同答案。较全面说明这个问题无法避免枯燥的推导,不感兴趣的请跳过直接看最后的结论。
在结论前,需要先搞清楚电压波形有效值、平均值、平均功率等概念,LZ略去(可百度)概念内容直接推导。
推导电压有效值常见的两个方法(热等效、均方根)。
1. 根据有效值定义的热等效推导。所谓热等效指某一波动电压连接阻值为R的阻性负载,在其一周期内R所发的热量和一稳恒直流电压相等,此稳恒直流电压既波动电压有效值。

上述推导得出常见结论,sin交流有效值是最大值的0.707倍。注意,根据有效值定义及推导过程可知:以有效值计算出R上的功率既整个周期的平均功率。
2. 回路中串入二极管,半波整流后的有效值如何?以均方根定义推导:

既半波整流后,电阻R上的功率为原波形的一半。
3. 波形除有效值外另有一个均值概念,半波整流平均值推导过程如下:

上述推导可知,半波整流后,电压平均值是之前波形有效值的0.45倍。注意,一个周期内的算数平均,和负载发热无直接关系。不要望文生义地认为周期内的平均功率是由平均电压计算出的。
回到题目,由上述3部分推导清晰可知:半波整流后,灯泡上的功率为原来的一半,50W。
LZ对原题其余答案的说明:题目这么出显然是在问周期内的平均功率,100W显然不对;25W对应110V,根据上述推导,这个110V既不是半波整流有效值也不是平均值,是一个凭空出来莫名其妙的数值;20.25W对应99V,既220*0.45,由第三部分推导可知,这是望文生义造成的错误。
另外,LZ之前曾看到万用表吧有吧友用两块真有效值万用表测量半波整流前后灯泡功率的变化,测量结果是半波整流后灯泡功率超过原来的一半约10%,对应半波后灯丝温度降低阻值降低,也从实测角度证实LZ推导及结论的正确。
最后,如试图用钳表测量半波电流值,需特别注意钳表是否具真有效值测量能力,真有效值的钳表并不普及,普通均值电平有效值显示的表测量半波的结果参考价值很低。


IP属地:北京1楼2021-05-08 15:12回复
    二极管是单向导通 在交流电路里切掉了一半的波型


    IP属地:浙江3楼2021-05-08 15:33
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      剩50w了,就跟电热开关1个道理,二极管切掉半波还剩25hz功率就减半了,自己可以用变压器加小灯泡加二极管测试下,用钳表卡电流,使用220v白炽灯也可测试


      IP属地:山西来自Android客户端4楼2021-05-08 20:00
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        这是积分公式??
        看来有人靠感觉:全波去了一半,功率减半的猜对了。


        IP属地:广东5楼2021-05-08 21:20
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          LZ补充:

          串进去一个二极管后,时域上直观看是单一周期电压波形两个包变一个。那就只剩下半个周期做功,自然对应周期内平均功率减半。这种直观看法可最快得出正确结论。
          考虑负载电压(电流)硬算也没问题,但要真正搞清楚基本概念。
          以全波有效值Urms为基准。
          由前面第3部分推导已知:半波电压均值=0.45Urms;另根据积分的数学意义,全波电压均值=0.9Urms
          也就是说,讨论负载上电压(电流)的话,去掉一个包之后电压(电流)均值变成一半了。
          但注意,波动电压(电流)均值和功率没有直接关系,这里需要的是有效值。
          而根据之前两部分的推导结论,半波电压有效值是Urms的0.707倍。
          在本吧看到不少回复分不清均值和有效值;还有说着有效值,结果冒出个什么都不是的110V,或者“半波整流后,流过灯泡电流减小一半”之类。
          LZ不是电工,但知道对于日常应用,波动电压均值很少用到,而有效值对应大多数情况。


          IP属地:北京6楼2021-05-09 16:59
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            这个题目的实际功率是什么意思?总觉得不严谨。如果是问电灯的额定功率,那答案是100W,如果是问电灯实际消耗的电功率,那答案是50W(忽略二极管导通电压0.7伏)。


            IP属地:广东来自Android客户端7楼2021-05-09 17:26
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              如有吧友希望看到灯丝阻值变大产生的影响,可以去万用表吧找一个帖。
              标题“40W灯泡串联一个二极管接入220市电,功率到底多大?”。
              这位吧友使用两块真有效值万用表,Fluke187(上一代高端表代表型号)和优利德UT171A,同时分别测量电压和电流。借原作者“我是不会修”的一张图:

              235V下额定40W灯泡实际功率44.89W,根据实测结果计算出26.64W。
              串二极管后一半是22.445W,更低的阻值使实测功率超了半功率的18.6%。


              IP属地:北京8楼2021-05-09 21:12
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                看来理论和实际还是有那么点差距的。主要是波型不干净!


                IP属地:浙江9楼2021-05-09 21:16
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                  为避免其他帖子的误导,LZ继续论述一些相关的基本概念。楼顶帖使用三角函数积分推导,看上去可能比较晦涩难懂,本层换一个更直观简单的波形,方波,进行论述。

                  图A是严格对称的标准交流波形,从这个角度它和更常见的u=Um(sinωt+φ)一样。
                  这个波形的平均值是多少?······均值为0。
                  是否有人注意到,正统教材对标准交流波形着重点在有效值上,并不怎么提均值。
                  但在技术上还是需要一个均值的,咋办?变通一下,只讨论半周的均值,或者讨论波形绝对值的均值。
                  理想状态下对图A方波进行全波整流,就变成图B,成稳恒直流了。此时最简单,全波整流后的方波有效值=均值=最大值(Um)。这是一个特例,稳恒直流电压均值=有效值。
                  理想状态下对图A方波进行半波整流,就变成图C,均值和有效值各是多少?


                  由上述推导及计算可知,真正的平均功率是用平均电压值计算出来的2倍;楼顶的sin半波根据均值算出来是20.25W,而正确值应是50W,比方波差异还大。类似结果在波动电压计算时并不稀奇。这么大的差异,靠那个灯丝温度变化绝对遮掩不了。
                  至于原题的半波整流后,错误地用110V(或所谓“一半电流”)进行平均功率计算······这已说不上是概念上的混乱(既不是均值也不是有效值),而是凭空杜撰数据了。


                  IP属地:北京10楼2021-05-11 15:32
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                    楼主解释的很棒,貌似提出问题那人自己给了个错答案。
                    其实不管什么平均值和有效值什么的,直接用瞬时值算积分是最准确的。


                    IP属地:贵州11楼2021-05-11 15:45
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                      其实解决问题不一定非要求甚解。总体上看,只剩下一半周期做功,把它平摊到整个周期,功率当然就剩一半了。
                      求甚解会使问题和解决方法都更清楚,但这样必然要牵涉更多细节,更多细节=更容易出错。
                      顶楼给出过以下推导式:

                      积分实际是在求下图的染色区域面积。上式只计算其中一个,两个都算上就是全波有效值。看着下方的标准sin算有效值就麻烦了。

                      染色区域长得怪异,好像sin叠加了奇次谐波的模样。


                      IP属地:北京13楼2021-05-11 21:33
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                        @如电9
                        吧主好呀。
                        刚想到哈,LZ这两天有点闲,第一次大篇幅发帖,正经花了点时间的说。这些内容除了8楼借的一张图之外,其余全部是LZ原创。公式编辑器和作图软件都上了。能给加个精吧?


                        IP属地:北京14楼2021-05-11 21:41
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                          @Heartache_time
                          本帖几个月前就说明了你现在纠结的问题。
                          列出了一些其他观点,同时列明了LZ的观点,以及对LZ观点的论证过程,并给出了一些结论。
                          另外引用了第三方的实际测试结果(8楼,详细内容可去搜原帖),和前面的理论推导相互佐证。
                          如你有不同观点,希望也发帖详细论述。
                          所谓抬杠长学问,LZ一贯欢迎有营养的争论。


                          IP属地:北京16楼2021-08-08 13:43
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                            “纯直流的有效值”?——这不莫名其妙么。
                            纯直流还用提有效值这个概念么,稳恒直流电压或电流只有一个固定值。
                            “加电容以后滤去交流分量结果就是0.707倍”
                            ——错误。前面220,半波后面加电容滤,测出来该是315了。怎么搞出来个0.707倍。
                            “测试出来的不是0.707倍是因为测量的是单纯DC的电压”
                            ——什么意思?你测量方法不对?手册细读过没有?
                            无论是否能够分开显示交直流分量,只要是真有效值的表,都该给出一个唯一值。
                            至于真有效值是什么,这个名词LZ在10多年前就看到过Fluke的资料。有需求可以贴出来。
                            这问题很清楚,220就对应156,硬碰硬的对错问题。
                            你那俩表不都是打了true RMS标了么,无论怎么搞,给出正确结果156就OK。
                            否则,还是那句话,羊头和狗肉的问题了。


                            IP属地:北京17楼2021-08-08 20:03
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