直流電源常見的濾波電路解析
2017-5-27 9:33:39??????點擊：
有源濾波直流電源電路
為了提高濾波效果，解決π型RC濾波直流電源電路中交、直流分量對R的要求相互矛盾的問題，在RC直流電源電路中增加了有源器件-晶體管，形成了RC有源濾波直流電源電路。常見的RC有源濾波直流電源電路如圖Z0716所示。
它實質上是由C1、Rb、C2組成的π型RC濾波直流電源電路與晶體管T組成的射極輸出器聯接而成的直流電源電路。該直流電源電路的優點是：
1．濾波電阻Rb 接于晶體管的基極回路，兼作偏置電阻，由于流過Rb 的電流入很小，為輸出電流Ie的1／（1＋β），故Rb可取較大的值（一般為幾十k Ω），既使紋波得以較大的降落，又不使直流損失太大。
2．濾波電容C2接于晶體管的基極回路，便可以選取較小的電容，達到較大電容的濾波效果，也減小了電容的體積，便于小型化。如圖中接于基極的電容C2 折合到發射極回路就相當于（1＋β）C2的電容的濾波效果（因 ie = （1+ β ）ib之故）。
3．由于負載凡接于晶體管的射極，故 RL上的直流輸出電壓UE≈UB，即基本上同RC無源濾波輸出直流電壓相等。
這種濾波直流電源電路濾波特性較好，廣泛地用于一些小型電子設備之中。
復式濾波直流電源電路
復式濾波直流電源電路常用的有LCГ型、LCπ型和RCπ 型3種形式，如圖Z0715所示。它們的直流電源電路組成原則是，把對交流阻抗大的元件（如電感、電阻）與負載串聯，以降落較大的紋波電壓，而把對交流阻抗小的元件（如電容）與負載并聯，以旁路較大的紋波電流。其濾波原理與電容、電感濾波類似，這里僅介紹RCπ型濾波。
圖Z0715（c）為RCπ型濾波直流電源電路，它實質上是在電容濾波的基礎上再加一級RC濾波直流電源電路組成的。其濾波原理可以這樣解釋：經過電容C1濾波之后，C1兩端的電壓包含一個直流分量 與交流分量 ，作為RC2濾波的輸入電壓。對直流分量而言，C2 可視為開路，RL上的輸出直流電壓為：
對于交流分量 而言，其輸出交流電壓為：
由式可見，R愈小，輸出的直流分量愈大；由式 可見，RC2愈大，輸出的交流分量愈小。濾波效果愈好。所以R受兩方面的制約，只能兼顧選擇。這種濾波直流電源電路較單電容濾波效果好，、但也只適用于負載電流不大的場合。
電感濾波直流電源電路
帶電感濾波的全波整流直流電源電路如圖Z0713 所示。濾波元件L串在整流輸出與負載RL之間（電感濾波一般不與半波整流搭配）。其濾波原理可用電磁感應原理來解釋。當電感中通過交變電流時，電感兩端便產生出一反電勢阻礙電流的變化：當電流增大時，反電勢會阻礙電流的增大，并將一部分能量以磁場能量儲存起來；當電流減小時，反電勢會阻礙電流的減小，電感釋放出儲存的能量。這就大大減小了輸出電流的變化，使其變得平滑，達到了濾波目的。當忽略L的直流電阻時，RL上的直流電壓UL與不加濾波時負載上的電壓相同，即UL =0.9U2 GS0718
電感濾波原理，也可以用電感對交、直流分量感抗不同，使直流順利通過，使交流得受阻的原理來解釋。
與電容濾波相比，電感濾波有以下特點：
1．電感濾波的外特性和脈動特性好。其外特性和脈動特性如圖Z0714 所示。UL隨ＩL的增大下降不多，基本上是平坦的（下降是L的直流電阻引起的）；S隨ＩL的增大而減小。
2．電感濾波直流電源電路整流二極管的導通角 θ=π。
3．電感濾波輸出電壓較電容濾波為低。故一般電感濾波適用于輸出電壓不高，輸出電流較大及負載變化較大的場合。
電容濾波直流電源電路
整流直流電源電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動成分較大，在一些要求直流電平滑的場合是不適用的，需加上濾波直流電源電路，以減小整流后直流電中的脈動成分。
一般直流電源中的脈動成分的大小用脈動系數來表示：
其中基波最大值為0.6U2，直流分量（平均值）為0.9 U2，故脈動系數S≈0.67 。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動系數為S＝1.57，可見其脈動系數是比較大的。一般電子設備所需直流電源的脈動系數小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。這一措施就是濾波。
最基本的濾波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑；或從另一角度來看，電容、電感對交、直流成分反映出來的阻抗不同，把它們合理地安排在直流電源電路中，即可達到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現出濾波作用。
常用的濾波直流電源電路有無源濾波和有源濾波兩大類。其中無源濾波的主要形式有電容濾波，電感濾波和復式濾波（包括倒L型LC濾波，π型LC濾波和π型RC濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。
電容濾波
半波整流電容濾波直流電源電路如圖Z0710所示。其濾波原理如下：
電容C并聯于負載 RL的兩端，uL＝uC。在沒有并入電容C之前，整流二極管在u2的正半周導通，負半周截止，輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后，設在 ωt=0時接通電源，則當u2由零逐漸增大時，二極管D導通，除有一電流iL流向負載以外還有一電流iC向電容C充電，充電電壓uC的極性為上正下負。如忽略二極管的內阻，則uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 達到最大值以后開始下降，此時電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當u2＜uc時，D因反偏而截止，于是C以一定的時間常數通過RL 按指數規律放電，uc下降。直到下一個正半周，當u2 ＞uc時，D又導通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中藍線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。
全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同，濾波波形如圖Z0711 所示。
從以上分析可以看出：
加了電容濾波之后，輸出電壓的直流成分提高了，而脈動成分降低了。這都是由于電容的儲能作用造成的。電容在二極管導通時充電（儲能），截止時放電（將能量釋放給負載），不但使輸出電壓的平均值增大，而且使其變得比較平滑了。
2．電容的放電時間常數（τ＝RLC）愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動成分也愈少，即濾波效果愈好。故一般C取值較大，RL也要求較大。實際中常按下式來選取C的值：
RLC≥（3～5＞T（半波） GS0714
RLC≥（3～5）T／2（全波、橋式） GS0715
3．電容濾波直流電源電路中整流二極管的導電時間縮短了，即導通角小于180°。而且，放電時間常數越大，導通角越小。因此，整流二極管流過的是一個很大的沖擊電流，對管子的壽命不利，選擇二極管時，必須留有較大余量。
4. 電容濾波直流電源電路的外特性（指UL與IL之間的關系）和脈動特性（指S與IL 之間的關系）比較差，如圖Z0712 所示。可以看出輸出電壓UL和脈動系數S隨著輸出電流IL 的變化而變化。當IL＝0（即RL= ∞ ）時，UL = U2（電容充電到最大值后不再放電），S = 0。當IL增大（即RL減小）時，由于電容放電程度加快而使UL下降，UL 的變化范圍在 U2 ～0.9 U2之間（指全波或橋式），S變大。所以，電容濾波一般適用于負載電流變化不大的場合。
5．電容濾波直流電源電路輸出電壓的佑算。如果電容濾波直流電源電路的放電時間常數按式GS0714或GS0715 取值的話，則輸出電壓分別為：
UL＝（0.9～1.0）U2 （半波） GS0716
UL＝（1.1～1.2）U2 （全波） GS0717
電容濾波直流電源電路結構簡單、使用方便、應用較廣。
為了提高濾波效果，解決π型RC濾波直流電源電路中交、直流分量對R的要求相互矛盾的問題，在RC直流電源電路中增加了有源器件-晶體管，形成了RC有源濾波直流電源電路。常見的RC有源濾波直流電源電路如圖Z0716所示。
它實質上是由C1、Rb、C2組成的π型RC濾波直流電源電路與晶體管T組成的射極輸出器聯接而成的直流電源電路。該直流電源電路的優點是：
1．濾波電阻Rb 接于晶體管的基極回路，兼作偏置電阻，由于流過Rb 的電流入很小，為輸出電流Ie的1／（1＋β），故Rb可取較大的值（一般為幾十k Ω），既使紋波得以較大的降落，又不使直流損失太大。
2．濾波電容C2接于晶體管的基極回路，便可以選取較小的電容，達到較大電容的濾波效果，也減小了電容的體積，便于小型化。如圖中接于基極的電容C2 折合到發射極回路就相當于（1＋β）C2的電容的濾波效果（因 ie = （1+ β ）ib之故）。
3．由于負載凡接于晶體管的射極，故 RL上的直流輸出電壓UE≈UB，即基本上同RC無源濾波輸出直流電壓相等。
這種濾波直流電源電路濾波特性較好，廣泛地用于一些小型電子設備之中。
復式濾波直流電源電路
復式濾波直流電源電路常用的有LCГ型、LCπ型和RCπ 型3種形式，如圖Z0715所示。它們的直流電源電路組成原則是，把對交流阻抗大的元件（如電感、電阻）與負載串聯，以降落較大的紋波電壓，而把對交流阻抗小的元件（如電容）與負載并聯，以旁路較大的紋波電流。其濾波原理與電容、電感濾波類似，這里僅介紹RCπ型濾波。
圖Z0715（c）為RCπ型濾波直流電源電路，它實質上是在電容濾波的基礎上再加一級RC濾波直流電源電路組成的。其濾波原理可以這樣解釋：經過電容C1濾波之后，C1兩端的電壓包含一個直流分量 與交流分量 ，作為RC2濾波的輸入電壓。對直流分量而言，C2 可視為開路，RL上的輸出直流電壓為：
對于交流分量 而言，其輸出交流電壓為：
由式可見，R愈小，輸出的直流分量愈大；由式 可見，RC2愈大，輸出的交流分量愈小。濾波效果愈好。所以R受兩方面的制約，只能兼顧選擇。這種濾波直流電源電路較單電容濾波效果好，、但也只適用于負載電流不大的場合。
電感濾波直流電源電路
帶電感濾波的全波整流直流電源電路如圖Z0713 所示。濾波元件L串在整流輸出與負載RL之間（電感濾波一般不與半波整流搭配）。其濾波原理可用電磁感應原理來解釋。當電感中通過交變電流時，電感兩端便產生出一反電勢阻礙電流的變化：當電流增大時，反電勢會阻礙電流的增大，并將一部分能量以磁場能量儲存起來；當電流減小時，反電勢會阻礙電流的減小，電感釋放出儲存的能量。這就大大減小了輸出電流的變化，使其變得平滑，達到了濾波目的。當忽略L的直流電阻時，RL上的直流電壓UL與不加濾波時負載上的電壓相同，即UL =0.9U2 GS0718
電感濾波原理，也可以用電感對交、直流分量感抗不同，使直流順利通過，使交流得受阻的原理來解釋。
與電容濾波相比，電感濾波有以下特點：
1．電感濾波的外特性和脈動特性好。其外特性和脈動特性如圖Z0714 所示。UL隨ＩL的增大下降不多，基本上是平坦的（下降是L的直流電阻引起的）；S隨ＩL的增大而減小。
2．電感濾波直流電源電路整流二極管的導通角 θ=π。
3．電感濾波輸出電壓較電容濾波為低。故一般電感濾波適用于輸出電壓不高，輸出電流較大及負載變化較大的場合。
電容濾波直流電源電路
整流直流電源電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動成分較大，在一些要求直流電平滑的場合是不適用的，需加上濾波直流電源電路，以減小整流后直流電中的脈動成分。
一般直流電源中的脈動成分的大小用脈動系數來表示：
其中基波最大值為0.6U2，直流分量（平均值）為0.9 U2，故脈動系數S≈0.67 。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動系數為S＝1.57，可見其脈動系數是比較大的。一般電子設備所需直流電源的脈動系數小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。這一措施就是濾波。
最基本的濾波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑；或從另一角度來看，電容、電感對交、直流成分反映出來的阻抗不同，把它們合理地安排在直流電源電路中，即可達到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現出濾波作用。
常用的濾波直流電源電路有無源濾波和有源濾波兩大類。其中無源濾波的主要形式有電容濾波，電感濾波和復式濾波（包括倒L型LC濾波，π型LC濾波和π型RC濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。
電容濾波
半波整流電容濾波直流電源電路如圖Z0710所示。其濾波原理如下：
電容C并聯于負載 RL的兩端，uL＝uC。在沒有并入電容C之前，整流二極管在u2的正半周導通，負半周截止，輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后，設在 ωt=0時接通電源，則當u2由零逐漸增大時，二極管D導通，除有一電流iL流向負載以外還有一電流iC向電容C充電，充電電壓uC的極性為上正下負。如忽略二極管的內阻，則uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 達到最大值以后開始下降，此時電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當u2＜uc時，D因反偏而截止，于是C以一定的時間常數通過RL 按指數規律放電，uc下降。直到下一個正半周，當u2 ＞uc時，D又導通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中藍線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。
全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同，濾波波形如圖Z0711 所示。
從以上分析可以看出：
加了電容濾波之后，輸出電壓的直流成分提高了，而脈動成分降低了。這都是由于電容的儲能作用造成的。電容在二極管導通時充電（儲能），截止時放電（將能量釋放給負載），不但使輸出電壓的平均值增大，而且使其變得比較平滑了。
2．電容的放電時間常數（τ＝RLC）愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動成分也愈少，即濾波效果愈好。故一般C取值較大，RL也要求較大。實際中常按下式來選取C的值：
RLC≥（3～5＞T（半波） GS0714
RLC≥（3～5）T／2（全波、橋式） GS0715
3．電容濾波直流電源電路中整流二極管的導電時間縮短了，即導通角小于180°。而且，放電時間常數越大，導通角越小。因此，整流二極管流過的是一個很大的沖擊電流，對管子的壽命不利，選擇二極管時，必須留有較大余量。
4. 電容濾波直流電源電路的外特性（指UL與IL之間的關系）和脈動特性（指S與IL 之間的關系）比較差，如圖Z0712 所示。可以看出輸出電壓UL和脈動系數S隨著輸出電流IL 的變化而變化。當IL＝0（即RL= ∞ ）時，UL = U2（電容充電到最大值后不再放電），S = 0。當IL增大（即RL減小）時，由于電容放電程度加快而使UL下降，UL 的變化范圍在 U2 ～0.9 U2之間（指全波或橋式），S變大。所以，電容濾波一般適用于負載電流變化不大的場合。
5．電容濾波直流電源電路輸出電壓的佑算。如果電容濾波直流電源電路的放電時間常數按式GS0714或GS0715 取值的話，則輸出電壓分別為：
UL＝（0.9～1.0）U2 （半波） GS0716
UL＝（1.1～1.2）U2 （全波） GS0717
電容濾波直流電源電路結構簡單、使用方便、應用較廣。
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