匯總電源設(shè)計(jì)中最常見的濾波電路
發(fā)布時(shí)間:2019-04-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】在整流電路輸出的電壓是單向脈動(dòng)性電壓,不能直接給電子電路使用。所以要對(duì)輸出的電壓進(jìn)行濾波, 消除電壓中的交流成分,成為直流電后給電子電路使用。在濾波電路中,主要使用對(duì)交流電有特殊阻抗特性的器件,如:電容器、電感器。
在整流電路輸出的電壓是單向脈動(dòng)性電壓,不能直接給電子電路使用。所以要對(duì)輸出的電壓進(jìn)行濾波, 消除電壓中的交流成分,成為直流電后給電子電路使用。在濾波電路中,主要使用對(duì)交流電有特殊阻抗特性的器件,如:電容器、電感器。本文對(duì)其各種形式的濾波電路進(jìn)行分析。
一、濾波電路種類
濾波電路主要有下列幾種:電容濾波電路,這是最基本的濾波電路;π 型 RC 濾波電路;π 型 LC 濾波電路;電子濾波器電路。
二、濾波原理
1. 單向脈動(dòng)性直流電壓的特點(diǎn)
如圖 1(a)所示。是單向脈動(dòng)性直流電壓波形,從圖中可以看出,電壓的方向性無(wú)論在何時(shí)都是一致的, 但在電壓幅度上是波動(dòng)的,就是在時(shí)間軸上,電壓呈現(xiàn)出周期性的變化,所以是脈動(dòng)性的。
但根據(jù)波形分解原理可知,這一電壓可以分解一個(gè)直流電壓和一組頻率不同的交流電壓,如圖 1(b)所示。在圖 1(b)中,虛線部分是單向脈動(dòng)性直流電壓 U。 中的直流成分,實(shí)線部分是 UO 中的交流成分。
2. 電容濾波原理
根據(jù)以上的分析,由于單向脈動(dòng)性直流電壓可分解成交流和直流兩部分。在電源電路的濾波電路中,利用電容器的“隔直通交”的特性和儲(chǔ)能特性,或者利用電感“隔交通直”的特性可以濾除電壓中的交流成分。圖 2 所示是電容濾波原理圖。
圖 2(a)為整流電路的輸出電路。交流電壓經(jīng)整流電路之后輸出的是單向脈動(dòng)性直流電,即電路中的 UO。
圖 2(b)為電容濾波電路。由于電容 C1 對(duì)直流電相當(dāng)于開路,這樣整流電路輸出的直流電壓不能通過C1 到地,只有加到負(fù)載 RL 圖為 RL 上。對(duì)于整流電路輸出的交流成分, 因 C1 容量較大, 容抗較小,交流成分通過 C1 流到地端,而不能加到負(fù)載 RL。這樣,通過電容 C1 的濾波, 從單向脈動(dòng)性直流電中取出了所需要的直流電壓 +U。
濾波電容 C1 的容量越大,對(duì)交流成分的容抗越小,使殘留在負(fù)載 RL 上的交流成分越小,濾波效果就越好。
3. 電感濾波原理
圖 3 所示是電感濾波原理圖。由于電感 L1 對(duì)直流電相當(dāng)于通路,這樣整流電路輸出的直流電壓直接加到負(fù)載 RL 上。
對(duì)于整流電路輸出的交流成分,因 L1 電感量較大,感抗較大,對(duì)交流成分產(chǎn)生很大的阻礙作用,阻止了交流電通過 C1 流到加到負(fù)載 RL。這樣,通過電感 L1 的濾波,從單向脈動(dòng)性直流電中取出了所需要的直流電壓 +U。
濾波電感 L1 的電感量越大,對(duì)交流成分的感抗越大,使殘留在負(fù)載 RL 上的交流成分越小,濾波效果就越好,但直流電阻也會(huì)增大。
三、π 型 RC濾波電路識(shí)圖方法
圖 4 所示是 π 型 RC 濾波電路。電路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只濾波電容,R1 和 R2 是濾波電阻,C1、R1 和C2 構(gòu)成第一節(jié) π 型的 RC 濾波電路, C2、R2 和 C3 構(gòu)成 第二節(jié) π 型 RC 濾波電路。由于這種濾波電路的形式如同希臘字母 π 和采用了電阻器、電容器,所以稱為 π 型 RC 濾波電路。
π 型 RC 濾波電路原理如下:
這一電路的濾波原理是:從整流電路輸出的電壓首先經(jīng)過 C1 的濾波,將大部分的交流成分濾除,然后再加到由 R1 和 C2 構(gòu)成的濾波電路中。C2 的容抗與 R1 構(gòu)成一個(gè)分壓電路,因 C2 的容抗很小,所以對(duì)交流成分的分壓衰減量很大,達(dá)到濾波目的。對(duì)于直流電而言,由于 C2 具有隔直作用,所以 R1 和 C2 分壓電路對(duì)直流不存在分壓衰減的作用,這樣直流電壓通過 R1 輸出。
在 R1 大小不變時(shí),加大 C2 的容量可以提高濾波效果,在 C2 容量大小不變時(shí),加大 R1 的阻值可以提高濾波效果。但是,濾波電阻 R1 的阻值不能太大,因?yàn)榱鬟^負(fù)載的直流電流要流過 R1,在 R1 上會(huì)產(chǎn)生直流壓降,使直流輸出電壓 Uo2 減小。R1 的阻值越大,或流過負(fù)載的電流越大時(shí),在 R1 上的壓降越大,使直流輸出電壓越低。
C1 是第一節(jié)濾波電容,加大容量可以提高濾波效果。但是 C1 太大后,在開機(jī)時(shí)對(duì) C1 的充電時(shí)間很長(zhǎng),這一充電電流是流過整流二極管的,當(dāng)充電電流太大、時(shí)間太長(zhǎng)時(shí),會(huì)損壞整流二極管。所以采用這種 π 型 RC 濾波電路可以使 C1 容量較小,通過合理設(shè)計(jì) R1 和 C2 的值來(lái)進(jìn)一步提高濾波效果。
這一濾波電路中共有 3 個(gè)直流電壓輸出端,分別輸出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三組直流電壓。其中, Uo1 只經(jīng)過電容 C1 濾波; Uo2 則經(jīng)過了 C1、 R1 和 C2 電路的濾波,所以濾波效果更好, Uo2 中的交流成分更??; Uo3 則經(jīng)過了 2 節(jié)濾波電路的濾波,濾波效果最好,所以 Uo3 中的交流成分最少。
3 個(gè)直流輸出電壓的大小是不同的。 Uo1 電壓最高,一般這一電壓直接加到功率放大器電路,或加到需要直流工作電壓最高、工作電流最大的電路中; Uo2 電壓稍低,這是因?yàn)殡娮?R1 對(duì)直流電壓存在電壓降; Uo3 電壓最低,這一電壓一般供給前級(jí)電路作為直流工作電壓,因?yàn)榍凹?jí)電路的直流工作電壓比較低,且要求直流工作電壓中的交流成分少。
四、π型 LC濾波電路識(shí)圖方法
圖 5 所示是 π 型 LC 濾波電路。π 型 LC 濾波電路與 π 型 RC 濾波電路基本相同。這一電路只是將濾波電阻換成濾波電感,因?yàn)闉V波電阻對(duì)直流電和交流電存在相同的電阻,而濾波電感對(duì)交流電感抗大,對(duì)直流電的電阻小,這樣既能提高濾波效果,又不會(huì)降低直流輸出電壓。
在圖 5 的電路中,整流電路輸出的單向脈動(dòng)性直流電壓先經(jīng)電容 C1 濾波,去掉大部分交流成分,然后再加到 L1 和 C2 濾波電路中。
對(duì)于交流成分而言, L1 對(duì)它的感抗很大,這樣在 L1 上的交流電壓降大,加到負(fù)載上的交流成分小。
對(duì)直流電而言, 由于 L1 不呈現(xiàn)感抗, 相當(dāng)于通路,同時(shí)濾波電感采用的線徑較粗,直流電阻很小,這樣對(duì)直流電壓基本上沒有電壓降,所以直流輸出電壓比較高,這是采用電感濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)。
五、電子濾波器識(shí)圖方法
1. 電子濾波器
圖 6 所示是電子濾波器。電路中的 VT1 是三極管,起到濾波管作用, C1 是 VT1 的基極濾波電容,R1 是 VT1 的基極偏置電阻,RL 是這一濾波電路的負(fù)載,C2 是輸出電壓的濾波電容。
電子濾波電路工作原理如下:
電路中的 VT1、 R1、 C1 組成電子濾波器電路,這一電路相當(dāng)于一 只容量為 C1×β1 大小電容器,β1 為 VT1 的電流放大倍數(shù),而晶體管的電流放大倍數(shù)比較大,所以等效電容量很大,可見電子濾波器的濾波性能是很好的。等效電路如圖 6(b)所示。圖中 C 為等效電容。
電路中的 R1 和 C1 構(gòu)成一節(jié) RC 濾波電路, R1 一方面為 VT1 提供基極偏置電流,同時(shí)也是濾波電阻。 由于流過 R1 的電流是 VT1 的基極偏置電流,這一電流很小, R1 的阻值可以取得比較大,這樣 R1 和 C1 的濾 波效果就很好,使 VT1 基極上直流電壓中的交流成分很少。由于發(fā)射極電壓具有跟隨基極電壓的特性,這樣 VT1 發(fā)射極輸出電壓中交流成分也很少,達(dá)到濾波的目的。
在電子濾波器中,濾波主要是靠 R1 和 C1 實(shí)現(xiàn)的,這也是 RC 濾波電路,但與前面介紹的 RC 濾波電路是不同的。在這一電路中流過負(fù)載的直流電流是 VT1 的發(fā)射極電流,流過濾波電阻 R1 的電流是 VT1 基極電流,基極電流很小,所以可以使濾波電阻 R1 的阻值設(shè)得很大(濾波效果好),但不會(huì)使直流輸出電壓下降很多。
電路中的 R1 的阻值大小決定了 VT1 的基極電流大小,從而決定了 VT1 集電極與發(fā)射極之間的管壓降,也就決定了 VT1 發(fā)射極輸出直流電壓大小,所以改變 R1 的大小,可以調(diào)整直流輸出電壓 +V 的大小。
2. 電子穩(wěn)壓濾波器
圖 7 所示是另一種電子穩(wěn)壓濾波器,與前一種電路相比,在 VT1 基極與地端之間接入了穩(wěn)壓二極管 VD1。電子穩(wěn)壓原理如下:
在 VT1 基極與地端之間接入了穩(wěn)壓二極管 VD1 后,輸入電壓經(jīng) R1 使穩(wěn)壓二極管 VD1 處于反向偏置狀態(tài),此時(shí) VD1 的穩(wěn)壓特性使 VT1 管的基極電壓穩(wěn)定,這樣 VT1 發(fā)射極輸出的直流電壓也比較穩(wěn)定。注意:這一電壓的穩(wěn)定特性是由于 VD1 的穩(wěn)壓特性決定的,與電子濾波器電路本身沒有關(guān)系。
R1 同時(shí)還是 VD1 的限流保護(hù)電阻。在加入穩(wěn)壓二極管 VD1 后,改變 R1 的大小不能改變 VT1 發(fā)射極輸出電壓大小,由于 VT1 的發(fā)射結(jié)存在 PN 結(jié)電壓降,所以發(fā)射極輸出電壓比 VD1 的穩(wěn)壓值略小。
C1、 R1 與 VT1 同樣組成電子濾波器電路,起到濾波作用。
在有些場(chǎng)合下,為了進(jìn)一步提高濾波效果,可采用雙管電子濾波器電路,2 只電子濾波管構(gòu)成了復(fù)合管電路。這樣總的電流放大倍數(shù)為各管電流放大倍數(shù)之積,顯然可以提高濾波效果。
六、電源濾波電路識(shí)圖小結(jié)
關(guān)于電源濾波電路分析主要注意以下幾點(diǎn):
分析濾波電容工作原理時(shí),主要利用電容器的“隔直通交”特性,或是充電與放電特性,即整流電路輸出單向脈動(dòng)性直流電壓時(shí)對(duì)濾波電容充電,當(dāng)沒有單向脈動(dòng)性直流電壓輸出時(shí),濾波電容對(duì)負(fù)載放電。
分析濾波電感工作原理時(shí),主要是認(rèn)識(shí)電感器對(duì)直流電的電阻很小、無(wú)感抗作用,而對(duì)交流電存在感抗。
進(jìn)行電子濾波器電路分析時(shí),要知道電子濾波管基極上的電容是濾波的關(guān)鍵元件。另外,要進(jìn)行直流電路的分析,電子濾波管有基極電流和集電極、發(fā)射極電流,流過負(fù)載的電流是電子濾波管的發(fā)射極電流,改變基極電流大小可以調(diào)節(jié)電子濾波管集電極與發(fā)射極之間的管壓降,從而改變電子濾波器輸出的直流電壓大小。
電子濾波器本身沒有穩(wěn)壓功能,但加入穩(wěn)壓二極管之后可以使輸出的直流電壓比較穩(wěn)定。
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