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从零开始玩转网页电路仿真：亲手搭建半波与桥式整流电路

你有没有过这样的经历？想做个电源电路，但手头没有万用表、没焊台、连二极管都缺一根。或者在学校实验室里，接错一根线，保险丝“啪”地一响，老师脸色瞬间变黑……

别担心，现在打开浏览器，就能搞定这一切。

今天我要带你用一个叫电路仿真circuits网页版（比如 CircuitJS1 ）的在线工具，从零开始搭建两种最基础也最重要的整流电路：半波整流和桥式整流。不需要任何编程基础，也不用下载软件，点几下鼠标，就能看到电流怎么流动、电压如何变化——就像在真实实验台上操作一样，还不会烧元件。

更重要的是，你会真正“看懂”整流是怎么回事，而不是死记公式。

为什么我们要学整流电路？

先问个问题：你的手机充电器插的是交流电（AC），但手机电池充的是直流电（DC）。那中间发生了什么？

答案就是——整流。

几乎所有电子设备的供电系统里，第一步就是把墙上的220V交流电变成可用的直流电。而实现这个转换的核心，就是整流电路。

它不神秘，原理其实很简单：利用二极管的“单向导电性”，像一道单行门，只让电流往一个方向走。于是原本来回振荡的正弦波，被“削”或“翻”成了脉动的直流。

常见的有三种：
-半波整流：只用一半的波形，简单但效率低；
-全波整流（带中心抽头变压器）：要用特殊变压器；
-桥式整流：四个二极管搭成“桥”，不用特殊变压器，应用最广。

今天我们就在网页上把前两种都做一遍，重点掌握桥式整流——因为它才是现代电源里的“主力军”。

先认识我们的“虚拟实验室”：电路仿真网页版

我们用的是类似 Falstad Circuit Simulator 这样的平台，中文常被称为“电路仿真circuits网页版”。它是基于浏览器运行的，底层用了简化的SPICE算法来解电路方程，响应快、交互强。

它到底能干啥？

• 拖拽元件就能画电路图；
• 实时看到导线上的电流流动（带颜色动画）；
• 接示波器看电压波形，支持多通道对比；
• 随时调整电源频率、电阻大小、电容值……改完马上见效；
• 出错了也不会冒烟，大胆试！

使用前必知的几个细节

1. 必须接地（GND）：没有参考点，电压就没意义；
2. 注意单位：设5V就写5，别写成5000mV导致误解；
3. 避免短路：比如电源两极直接连导线，仿真会异常；
4. 高频信号慎用：超过100kHz可能因采样率不足失真；
5. 二极管模型较理想：默认压降约0.7V，适合教学，但不能模拟温度漂移等复杂特性。

这些都不是障碍，反而是优势——让我们先把核心概念搞清楚。

动手第一个电路：半波整流

来，我们一起动手。

所需元件（全部拖出来）

• 交流电压源（AC Voltage Source） → 设为5V peak,50Hz
• 二极管（Diode） → 默认硅管（如1N4007）
• 电阻（Resistor） →1kΩ作为负载
• 地（Ground）
• 示波器探头 ×2

接线步骤（照着连）

AC+ → 二极管阳极（三角形那端） 二极管阴极（竖杠那端） → 电阻一端 电阻另一端 → GND AC− → GND

然后把两个示波器探头分别接到：
- 探头A：AC+ 和 GND 之间（输入电压）
- 探头B：电阻两端（输出电压）

点击“Run Simulation”，你会看到：

✅ 输入是一个标准正弦波（±5V，周期20ms）
❌ 输出只有正半周有电压，负半周是一条直线

这就是半波整流——负半周被二极管“拦住”了。

算一算输出电压

理论上，理想情况下输出平均电压是：

$$
V_{dc} = \frac{V_m}{\pi} \approx 0.318 \times V_m
$$

但实际二极管有压降（约0.7V），所以有效峰值是 $5 - 0.7 = 4.3V$

代入得：
$$
V_{dc} ≈ 0.318 × 4.3 ≈ 1.37V
$$

你在仿真中用电压表测一下，是不是接近这个数？

常见问题排查

加个电容试试：滤波初体验

现在，在负载电阻两端并联一个100μF电解电容。

再运行仿真，你会发现输出不再是断续脉冲，而是一个相对平稳的电压，只是有点“抖”——这就是纹波。

电容的作用就像个“小水库”：
- 当电压上升时，它充电；
- 当电压下降时，它放电，补给负载。

结果就是输出更平滑了。你可以试着换更大的电容（比如470μF），看看纹波是不是变得更小？

⚠️ 注意：大电容启动瞬间会有浪涌电流，虽然仿真中通常忽略，但在真实电路中要加限流电阻。

升级挑战：桥式整流电路

半波只用了半个波，效率太低。能不能把负半周也利用起来？

当然可以！这就是桥式整流的厉害之处。

它用四个二极管组成“桥”，让无论正负半周，流过负载的电流方向都一致。

工作原理一句话讲清

• 正半周：D1和D2导通，电流走上面那条路；
• 负半周：D3和D4导通，电流从下面那条路绕回来，但在负载上还是同一个方向。

这样，每个周期都有输出，频率翻倍到100Hz，纹波自然就小了。

在网页上怎么接？

这是最容易接错的地方，我给你画个清晰的连接逻辑：

四个二极管的接法

1. D1阳极 ←→ D3阴极 → 接AC+
2. D2阳极 ←→ D4阴极 → 接AC−
3. D1阴极 ←→ D2阴极 → 这是+Vout（输出正极）
4. D3阳极 ←→ D4阳极 → 这是GND（输出负极）

然后负载电阻接在+Vout和GND之间。

看起来有点乱？没关系，记住口诀：“同侧阴阳对角通”，即对角线上的两个二极管在同一半周导通。

观察波形变化

接好后，打开双通道示波器：
- 通道A：输入AC电压
- 通道B：输出电压（负载两端）

你会看到：
- 输入：标准50Hz正弦波
- 输出：每10ms一个脉冲，频率100Hz，形状像“驼峰”

计算输出平均电压：
$$
V_{dc} = \frac{2(V_m - 2V_d)}{\pi}
$$
其中 $V_d ≈ 0.7V$，所以压降是两个二极管（1.4V）

代入：
$$
V_{dc} ≈ \frac{2×(5 - 1.4)}{\pi} ≈ \frac{2×3.6}{3.14} ≈ 2.3V
$$

实测一下，是否吻合？

对比半波 vs 桥式：谁更强？

结论很明显：桥式整流完胜。虽然多用了三个二极管，但换来更高的效率、更低的纹波、更好的电源质量。

这也是为什么你拆开任何一个正规电源适配器，里面几乎都是桥堆（Bridge Rectifier）。

再进一步：构建完整的DC电源雏形

真正的电源不会止步于整流。我们继续扩展这个电路，模拟一个简易AC-DC转换流程：

交流输入 → [变压器] → 桥式整流 → 电容滤波 → [稳压芯片] → 稳定直流

目前我们已经做到“桥式整流 + 滤波”。接下来可以在输出端加一个7805稳压芯片（如果仿真平台支持IC模块），得到稳定的5V输出。

即使不加稳压，仅靠滤波电容，你也能观察到：
- 不加电容：脉动剧烈，无法驱动数字电路；
- 加100μF电容：电压稳定在2V左右，仍有轻微波动；
- 加470μF电容：纹波明显减小，接近直流。

这正是工程师选型时要考虑的问题：电容越大越好吗？

不一定。大电容意味着：
- 成本高、体积大；
- 上电瞬间冲击电流大，可能损坏二极管；
- 放电慢，安全风险增加。

所以实际设计中要权衡“纹波容忍度”与“成本/可靠性”。

实际应用场景举例

这种仿真不只是“玩具”，它真的有用。

1. 学生做课程实验

老师布置作业：“比较不同电容值对桥式整流纹波的影响。”
学生只需：
- 搭建电路；
- 分别测试10μF、47μF、100μF、470μF；
- 截图记录波形；
- 测量峰峰值纹波电压；
- 绘制曲线图分析趋势。

全程在家完成，无需预约实验室。

2. 工程师快速验证想法

比如你想做一个太阳能LED灯控制器，前端是交流输入备用电源。
可以用仿真先验证整流滤波部分能否提供足够电压，再决定是否需要升压或稳压。

3. 故障排查训练

故意断开一个二极管（比如D2），观察输出波形变成什么样？
你会发现输出电压降低、频率变回50Hz，甚至出现负电压尖峰。

这就是典型的“桥堆开路故障”现象。通过仿真提前了解这些特征，将来查板子时一眼就能定位问题。

最佳实践建议：让你的仿真更专业

别只是“搭着玩”，养成好习惯，才能真正提升能力。

✅ 命名关键节点

给重要点标上标签，比如：
-Vin：输入电压点
-Vout：输出电压点
-Rectified：整流后未滤波点

方便自己和别人理解电路结构。

✅ 使用颜色区分线路

有些平台支持自定义导线颜色。比如：
- 红色：电源正极
- 黑色：地线
- 蓝色：信号线

视觉清晰度大幅提升。

✅ 分阶段验证

不要一次性把所有功能加上。建议按以下顺序：
1. 先做桥式整流，确认输出频率是100Hz；
2. 加电容，观察纹波减小；
3. 加负载变化（切换不同阻值电阻），看电压稳定性；
4. 最后考虑加稳压器。

每一步都验证通过，才能保证整体正确。

✅ 保存多个版本

使用平台的“Save as Link”功能，为每个阶段生成独立链接：
- version1.html：仅整流
- version2.html：整流+滤波
- version3.html：加入稳压

方便回溯和分享。

✅ 导出图像用于报告

大多数平台支持导出PNG或SVG图形，可直接插入PPT或实验报告中，美观又专业。

写在最后：从“看懂”到“会做”的跨越

很多人学电路停留在“听懂了老师讲的”，但一动手就懵。

而仿真最大的价值，就是让你亲手验证每一个知识点。

你不再需要背“桥式整流输出频率是两倍输入频率”——因为你亲眼看到了100Hz的波形。

你也无需死记“电容滤波能平滑电压”——因为你看到了加电容前后纹波的巨大差异。

这才是真正的学习。

下次当你看到一个电源电路图，脑海里浮现的不再是抽象符号，而是电流如何流动、电压如何变化的真实过程。

而这，正是成为合格电子工程师的第一步。

如果你已经跟着做完了这两个电路，不妨试试：
- 把输入改成12V AC，看看输出能否达到5V以上？
- 替换成锗二极管（压降0.3V），对比效率变化？
- 加一个滑动变阻器当可调负载，观察电压跌落情况？

探索越多，收获越大。

如果你在实现过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区分享讨论。