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电源设计中最常见的四种滤波电路原理及特点解析

贸泽电子设计圈 来源:未知 作者:佚名 2017-12-25 07:45 次阅读

引言

在整流电路输出的电压是单向脉动性电压,不能 直接给电子电路使用。所以要对输出的电压进行滤波, 消除电压中的交流成分,成为直流电后给电子电路使 用。在滤波电路中,主要使用对交流电有特殊阻抗特性 的器件,如:电容器电感器。本文对其各种形式的滤波 电路进行分析。

一、滤波电路种类

滤波电路主要有下列几种:电容滤波电路,这是最 基本的滤波电路;π 型 RC 滤波电路;π 型 LC 滤波电 路;电子滤波器电路。

二、滤波原理

1. 单向脉动性直流电压的特点

如图 1(a)所示。是单向脉动性直流电压波形,从 图中可以看出,电压的方向性无论在何时都是一致的, 但在电压幅度上是波动的,就是在时间轴上,电压呈现 出周期性的变化,所以是脉动性的。

但根据波形分解原理可知,这一电压可以分解一 个直流电压和一组频率不同的交流电压,如图 1(b)所 示。在图 1(b)中,虚线部分是单向脉动性直流电压 U。 中的直流成分,实线部分是 UO 中的交流成分。

2. 电容滤波原理

根据以上的分析,由于单向脉动性直流电压可分 解成交流和直流两部分。在电源电路的滤波电路中,利 用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性,或者利用 电感“隔交通直”的特性可以滤除电压中的交流成分。 图 2 所示是电容滤波原理图。

图 2(a)为整流电路的输出电路。交流电压经整流 电路之后输出的是单向脉动性直流电,即电路中的 UO。

图 2(b)为电容滤波电路。由于电容 C1 对直流电 相当于开路,这样整流电路输出的直流电压不能通过C1 到地,只有加 到负载 RL 图为 RL 上。对于整流电路 输出的交流成分, 因 C1 容量较大, 容抗较小,交流成 分通过 C1 流到地 端,而不能加到负 载 RL。这样,通过 电容 C1 的滤波, 从单向脉动性直 流电中取出了所 需要的直流电压 +U。

滤波电容 C1 的容量越大,对交流成分的容抗越 小,使残留在负载 RL 上的交流成分越小,滤波效果就 越好。

3. 电感滤波原理

图 3 所示是电感滤波原理图。由于电感 L1 对直流 电相当于通路,这样整流电路输出的直流电压直接加 到负载 RL 上。

对于整流电路输出的交流成分,因 L1 电感量较大,感抗较大,对交流成分产生很大的阻碍作用,阻止 了交流电通过 C1 流到加到负载 RL。这样,通过电感 L1 的滤波,从单向脉动性直流电中取出了所需要的直 流电压 +U。

滤波电感 L1 的电感量越大,对交流成分的感抗越 大,使残留在负载 RL 上的交流成分越小,滤波效果就 越好,但直流电阻也会增大。

三、π 型 RC滤波电路识图方法

图 4 所示是 π 型 RC 滤波电路。电路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只滤波电容,R1 和 R2 是滤波电阻,C1、R1 和C2 构成第一节 π 型的 RC 滤波电路, C2、 R2 和 C3 构成 第二节 π 型 RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式 如同希腊字母 π 和采用了电阻器、电容器,所以称为 π 型 RC 滤波电路。

π 型 RC 滤波电路原理如下:

(1)这一电路的滤波原理是:从整流电路输出的电 压首先经过 C1 的滤波,将大部分的交流成分滤除,然 后再加到由 R1 和 C2 构成的滤波电路中。C2 的容抗与 R1 构成一个分压电路,因 C2 的容抗很小,所以对交流 成分的分压衰减量很大,达到滤波目的。对于直流电而 言,由于 C2 具有隔直作用,所以 R1 和 C2 分压电路 对直流不存在分压衰减的作用,这样直流电压通过 R1 输出。

(2)在 R1 大小不变时,加大 C2 的容量可以提高滤 波效果,在 C2 容量大小不变时,加大 R1 的阻值可以提 高滤波效果。但是,滤波电阻 R1 的阻值不能太大,因为 流过负载的直流电流要流过 R1,在 R1 上会产生直流 压降,使直流输出电压 Uo2 减小。R1 的阻值越大,或流 过负载的电流越大时,在 R1 上的压降越大,使直流输 出电压越低。

(3) C1 是第一节滤波电容,加大容量可以提高滤 波效果。但是 C1 太大后,在开机时对 C1 的充电时间 很长,这一充电电流是流过整流二极管的,当充电电流 太大、时间太长时,会损坏整流二极管。所以采用这种 π 型 RC 滤波电路可以使 C1 容量较小,通过合理设计 R1 和 C2 的值来进一步提高滤波效果。

(4)这一滤波电路中共有 3 个直流电压输出端,分 别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中, Uo1 只经过电 容 C1 滤波; Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波,所 以滤波效果更好, Uo2 中的交流成分更小; Uo3 则经过了 2 节滤波电路的滤波,滤波效果最好,所以 Uo3 中的交 流成分最少。

(5) 3 个直流输出电压的大小是不同的。 Uo1 电压最 高,一般这一电压直接加到功率放大器电路,或加到需 要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中; Uo2 电 压稍低,这是因为电阻 R1 对直流电压存在电压降; Uo3 电压最低,这一电压一般供给前级电路作为直流工作 电压,因为前级电路的直流工作电压比较低,且要求直 流工作电压中的交流成分少。

四、π型 LC滤波电路识图方法

图 5 所示是 π 型 LC 滤波电路。π 型 LC 滤波电 路与 π 型 RC 滤波电路基本相同。这一电路只是将滤波电阻换成滤波电感,因为滤波电阻对直流电和交流 电存在相同的电阻,而滤波电感对交流电感抗大,对直 流电的电阻小,这样既能提高滤波效果,又不会降低直 流输出电压。

在图 5 的电路中,整流电路输出的单向脉动性直 流电压先经电容 C1 滤波,去掉大部分交流成分,然后 再加到 L1 和 C2 滤波电路中。

对于交流成分而言, L1 对它的感抗很大,这样在 L1 上的交流电压降 大,加到负载上的交 流成分小。

对直流电而言, 由于 L1 不呈现感抗, 相当于通路,同时滤 波电感采用的线径较粗,直流电阻很小,这样对直流电 压基本上没有电压降,所以直流输出电压比较高,这是 采用电感滤波器的主要优点。

五、电子滤波器识图方法

1. 电子滤波器

图 6 所示是电子滤波器。电路中的 VT1 是三极管, 起到滤波管作用, C1 是 VT1 的基极滤波电容, R1 是 VT1 的基极偏置电阻, RL 是这一滤波电路的负载, C2 是输出电压的滤波电容。

电子滤波电路工作原理如下:

①电路中的 VT1、 R1、 C1 组成电 子滤波器电路,这 一电路相当于一 只容量为 C1×β1 大小电容器,β1 为 VT1 的电流放 大倍数,而晶体管 的电流放大倍数 比较大,所以等效 电容量很大,可见 电子滤波器的滤 波性能是很好的。等效电路如图 6(b)所示。图中 C 为 等效电容。

②电路中的 R1 和 C1 构成一节 RC 滤波电路, R1 一方面为 VT1 提供基极偏置电流,同时也是滤波电阻。 由于流过 R1 的电流是 VT1 的基极偏置电流,这一电流 很小, R1 的阻值可以取得比较大,这样 R1 和 C1 的滤 波效果就很好,使 VT1 基极上直流电压中的交流成分 很少。由于发射极电压具有跟随基极电压的特性,这样 VT1 发射极输出电压中交流成分也很少,达到滤波的 目的。

③在电子滤波器中,滤波主要是靠 R1 和 C1 实现 的,这也是 RC 滤波电路,但与前面介绍的 RC 滤波电路是不同的。在这一电路中流过负载的直流电流是 VT1 的发射极电流,流过滤波电阻 R1 的电流是 VT1 基极电 流,基极电流很小,所以可以使滤波电阻 R1 的阻值 设得很大(滤波效果好),但不会使直流输出电压下降 很多。

④电路中的 R1 的阻值大小决定了 VT1 的基极电 流大小,从而决定了 VT1 集电极与发射极之间的管压 降,也就决定了 VT1 发射极输出直流电压大小,所以改 变 R1 的大小,可以调整直流输出电压 +V 的大小。

2. 电子稳压滤波器

图 7 所示是另一种电子稳压滤波器,与前一种电 路相比,在 VT1 基极与地端之间接入了稳压二极管 VD1。电子稳压原理如下:

在 VT1 基极 与地端之间接入 了稳压二 极 管 VD1 后,输入电 压经 R1 使稳压 二极管 VD1 处于 反向偏置状态,此时 VD1 的稳压特性使 VT1 管的基极 电压稳定,这样 VT1 发射极输出的直流电压也比较稳 定。注意:这一电压的稳定特性是由于 VD1 的稳压特性 决定的,与电子滤波器电路本身没有关系。

R1 同时还是 VD1 的限流保护电阻。在加入稳压二 极管 VD1 后,改变 R1 的大小不能改变 VT1 发射极输出电压大小,由于 VT1 的发射结存在 PN 结电压降,所以 发射极输出电压比 VD1 的稳压值略小。

C1、 R1 与 VT1 同样组成电子滤波器电路,起到滤波作用。

在有些场合下,为了进一步提高滤波效果,可采用 双管电子滤波器电路, 2 只电子滤波管构成了复合管 电路。这样总的电流放大倍数为各管电流放大倍数之 积,显然可以提高滤波效果。

六、电源滤波电路识图小结

关于电源滤波电路分析主要注意以下几点:

(1)分析滤波电容工作原理时,主要利用电容器的 “隔直通交”特性,或是充电与放电特性,即整流电路输 出单向脉动性直流电压时对滤波电容充电,当没有单 向脉动性直流电压输出时,滤波电容对负载放电。

(2)分析滤波电感工作原理时, 主要是认识电感器对 直流电的电阻很小、 无感抗作用, 而对交流电存在感抗。

(3)进行电子滤波器电路分析时,要知道电子滤波 管基极上的电容是滤波的关键元件。另外,要进行直流 电路的分析,电子滤波管有基极电流和集电极、发射极 电流,流过负载的电流是电子滤波管的发射极电流,改 变基极电流大小可以调节电子滤波管集电极与发射极 之间的管压降,从而改变电子滤波器输出的直流电压 大小。

(4)电子滤波器本身没有稳压功能,但加入稳压二 极管之后可以使输出的直流电压比较稳定。

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原文标题:看完这篇,吃透各种电源滤波电路~~~妥妥的!

文章出处:【微信号:Mouser-Community,微信公众号:贸泽电子设计圈】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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