如何将交流电转换为直流电？

电学是物理学的一个分支，涉及带电粒子的性质和运动。当带电粒子在材料表面时，称为静电。电荷的运动会产生磁场，而磁场的变化可以产生电。电流从高电位流向低电位。电和磁是相互关联的。因此，电场和磁场的研究一起被称为电磁学。

交流电 (AC)

交流电 (AC) 是周期性反转的电荷流。例如，它从零开始，增长到最大值，减小到零，反转，在相反方向达到最大值，再次返回到原始值，并无限期地重复这个循环。在两个连续的周期上达到确定值之间的时间间隔称为周期，每秒的周期数或周期数是频率，任一方向的最大值是交流电的幅度。

直流电 (DC)

直流电 (DC) 是电荷的单向流动。电化学电池是直流电源的主要示例。直流电可以流过导体，例如电线，但也可以流过半导体、绝缘体，甚至可以通过电子束或离子束中的真空。电流以恒定方向流动。

交直流电路

在直流电路中，提供直流电源，因此每次都有稳定的电流流过，而在交流电路中，提供交流电源，因此每时每刻都会改变极性。交流电路有两个周期正周期和负周期。每秒，极性会根据以赫兹为单位的供电频率发生多次变化。

交流电的表示

正弦交流电可以用等式 i = I sin ωt 表示，其中 i 是时间 t 的电流，I 是最大电流。以类似的方式，我们可以写成正弦交流电压，

v = V sin ωt

Where v is the voltage at time t and V is the maximum voltage.

Where, ω = 2πƒ

ƒ = frequency

t = time period

需要从交流电转换为直流电

现在我们已经看到了交流和直流电流。应该注意的是，根据设备提供不同类型的电源。印度家庭使用的电源是 220V 交流电源。但是我们的移动充电器、适配器和其他各种设备都使用直流电源。因此，应该有方法可以相互转换这些供应，以便我们可以在需要时使用必要的供应。

从交流电到直流电的转换

• 整流器

整流是将交流电源转换为直流电源的过程。整流器是将交流电源转换为直流电源的设备。基本上，这种转换可以分为四个子步骤：

降压

通常，有一个高压交流电源，因为它易于传输且损耗最小。但是，我们的设备需要低压电源，因此为此使用降压变压器。在降压变压器中，初级线圈与次级线圈相比具有更多的回路数。

交流到直流转换

降压后，使用整流器将交流电转换为直流电。全桥整流器可用于将交流电转换为直流电。在该器件中，使用了 4 个二极管，它们工作在正向偏置而不是反向偏置。在正半周期间，两个二极管工作，而在负半周期间，另外两个二极管工作。这样交流电源被整流为直流电源。下图是用于将交流电转换为直流电的全桥整流电路。

净化直流波形

上述步骤产生的直流波形不具有纯直流波形。它是脉冲形式的，并且有波动的供应。电容器是用于执行此任务的设备。当输入电压从零增加到最大值时，电容器用于存储能量。当输入电压降至零时，电容器的能量可以被释放。这可以在很大程度上拉直波形。

固定直流电压

最后，使用稳压器 IC 将直流电压转换为固定的所需值。直流稳压器 IC 由一个集成电路组成，该集成电路最终将我们的直流电源转换为给定电压。例如，要转换为 5V 直流电源，我们使用 7805 稳压器 IC。为了转换为 9V 直流电源，我们使用 7809 稳压器 IC。

• 旋转转换器

旋转转换器基本上是机械整流器、逆变器或频率转换器。它使用机械能将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)。旋转转换器由两台机器组成，它们附有一个旋转电枢和一组励磁线圈。它有一个直流发电机（发电机），其转子绕组中插入一组均匀间隔的滑环。交流电使用换向器进行整流，其中直流电从转子中提取。通电线圈旋转并激励静止的励磁绕组，从而产生直流电。旋转转换器充当混合发电机和机械整流器。由于交流滑环，它还可以用作交流发电机。

• 开关模式电源 (SMPS)

开关模式电源 (SMPS) 是一种电子电路，它由开关器件（例如 MOSFET）在高频（以 kHz 为单位）打开和关闭，以及存储组件（例如电感器或电容器）组成，用于在开关器件处于非导通状态。这些设备使用复杂的电路连接，用于将交流电转换为直流电。

AC到DC转换器的应用

• 它们用于真空吸尘器、洗衣机、冰箱。
• 电脑、电视、手机充电器等电器在直流电上工作。因此，AC-DC 转换器在这些设备中扮演着非常重要的角色。
• 它们还用于医疗设备、工厂自动化和过程控制系统。
• 交流到直流转换器的其他应用包括可再生能源管理、测试和测量设备、航空航天和运输系统。

示例问题

问题 1：200 mH 线圈连接到电流为 5 mA 的交流电路。如果频率为 2000 Hz，则找出电压。

解决方案：

Given: L = 200 × 10^-3 H

I = 5 × 10^-3 A

f = 2000 Hz

We know that Inductive Reactance, X_L = L × ω = L × 2πƒ

= 2 × 3.14 × 2000 × 0.2

= 2512 Ohm

V = I X_L 

= 0.005 × 2512

= 12.56 V

So, the voltage is 12.56 V

问题 2：求交流电压 v = 5 sin(2π ×10 ⁴ t) 伏特的瞬时值：

1. 0 秒
2. 20 微秒
3. 40 微秒。

解决方案：

At t = 0 s,

v = 5 sin(0) = 0 V

At t = 20 μs,

v = 5 sin(2π ×10⁴ × 20 × 10^-6) 

= 5 sin( 40π × 10^-2 )

= 5 sin(1.25)

= 5 × 0.94

= 4.74 V

At t = 40 μs,

v = 5 sin(2π ×10⁴ × 40 × 10^-6)

= 5 sin( 80π × 10^-2 )

= 5 sin(2.5)

= 5 × 0.59

= 3 V

So, the instantaneous value of alternating voltage at 0 s, 20 μs, 40 μs is 0V, 4.74V, 3V respectively.

问题 3：通过感应线圈的电流由 0.7 sin (300t – 40°) A 给出。如果电感为 60 mH，请写出电压方程。

解决方案：

L = 60 × 10^-3 H, i = 0.7 sin (300t – 40°) A

X_L = ωL = 300 × 60 × 10^-3 = 18 Ω

V_m = I_m XL = 0.7 × 18 = 12.6 V

In an inductive circuit, the voltage leads the current by 90° Therefore,

v = V_m sin ( ωt + 90°)

v = 12.6 sin(300t −40 + 90°)

v = 12.6 sin(300t +50º) V

So, the equation for voltage is v = 12.6 sin(300t +50°).

问题 4：如果交流电方程由 i = 45 sin 314t 给出，则求 t = 1 ms 处的峰值、频率、时间段和瞬时值。

解决方案：

i = 45 sin 314t; t = 1 ms = 1 × 10^-3 s

Comparing with the general equation of an alternating current, i = I_m sin ωt.

• Peak value, I_m = 45 A
• Frequency, f = ω/2π = 314 / 2 × 3.14 = 50 Hz
• Time period, T = 1/f = 150 = 0 .02 s

At t = 2 ms,

Instantaneous value,

i = 45sin(3.14 × 1 × 10⁻³)

i = 0.14 A

问题5：如果电源的直流电压为5V，电流为2.5A，则求电路中的电阻。

解决方案：

R = V/I

= 5/2.5

= 2 Ohm.

So, the resistance in the circuit is 2 Ohm.

问题 6：写出 30 Hz 正弦电压的方程式，其峰值为 50V。另外，找一个周期的时间。

解决方案：

f = 30 Hz, V_m = 50V

v = V_m sinωt

= V_m sin2πft

= 50 sin(2π × 30)t

= 50 sin(60 × 3.14)t

v = 50 sin188t 

T = 1 / f 

= 1 / 30

= 0.033 sec

= 33 ms.

So, equation is v = 50 sin188t and time for one cycle 33 ms.