滤波效果_各种电源滤波电路分析

在整流电路输出的电压是单向脉动性电压&＃xff0c;不能直接给电子电路使用。所以要对输出的电压进行滤波&＃xff0c; 消除电压中的交流成分&＃xff0c;成为直流电后给电子电路使 用。在滤波电路中&＃xff0c;主要使用对交流电有特殊阻抗特性 的器件&＃xff0c;如&＃xff1a;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&＃xff1a;电容滤波电路&＃xff0c;这是最 基本的滤波电路&＃xff1b;π型 RC 滤波电路&＃xff1b;π型 LC 滤波电路&＃xff1b;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&＃xff08;a&＃xff09;所示。是单向脉动性直流电压波形&＃xff0c;从 图中可以看出&＃xff0c;电压的方向性无论在何时都是一致的&＃xff0c; 但在电压幅度上是波动的&＃xff0c;就是在时间轴上&＃xff0c;电压呈现 出周期性的变化&＃xff0c;所以是脉动性的。但根据波形分解原理可知&＃xff0c;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&＃xff0c;如图 1&＃xff08;b&＃xff09;所 示。在图 1&＃xff08;b&＃xff09;中&＃xff0c;虚线部分是单向脉动性直流电压 U。 中的直流成分&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;利 用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性&＃xff0c;或者利用 电感“隔直通交”的特性可以滤除电压中的交流成分。

图 2&＃xff08;a&＃xff09;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&＃xff0c;即电路中的 UO。

图 2&＃xff08;b&＃xff09;为电容滤波电路。由于电容 C1 对直流电 相当于开路&＃xff0c;这样整流电路输出的直流电压不能通过C1 到地&＃xff0c;只有加 到负载 RL 图为 RL 上。对于整流电路 输出的交流成分&＃xff0c; 因 C1 容量较大&＃xff0c; 容抗较小&＃xff0c;交流成 分通过 C1 流到地 端&＃xff0c;而不能加到负 载 RL。这样&＃xff0c;通过 电容 C1 的滤波&＃xff0c; 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&＃xff0c;对交流成分的容抗越小&＃xff0c;使残留在负载 RL 上的交流成分越小&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;因 L1 电感量较大&＃xff0c;感抗较大&＃xff0c;对交流成分产生很大的阻碍作用&＃xff0c;阻止 了交流电通过 C1 流到加到负载 RL。这样&＃xff0c;通过电感 L1 的滤波&＃xff0c;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&＃xff0c;对交流成分的感抗越 大&＃xff0c;使残留在负载 RL 上的交流成分越小&＃xff0c;滤波效果就 越好&＃xff0c;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&＃xff0c;R1 和 R2 是滤波电阻&＃xff0c;C1、R1 和C2 构成第一节π型的 RC 滤波电路&＃xff0c; 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&＃xff0c;所以称为 π型 RC 滤波电路。

π型 RC 滤波电路原理如下&＃xff1a;

1. 这一电路的滤波原理是&＃xff1a;从整流电路输出的电 压首先经过 C1 的滤波&＃xff0c;将大部分的交流成分滤除&＃xff0c;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&＃xff0c;因 C2 的容抗很小&＃xff0c;所以对交流 成分的分压衰减量很大&＃xff0c;达到滤波目的。对于直流电而 言&＃xff0c;由于 C2 具有隔直作用&＃xff0c;所以 R1 和 C2 分压电路 对直流不存在分压衰减的作用&＃xff0c;这样直流电压通过 R1 输出。
2. 在 R1 大小不变时&＃xff0c;加大 C2 的容量可以提高滤 波效果&＃xff0c;在 C2 容量大小不变时&＃xff0c;加大 R1 的阻值可以提 高滤波效果。但是&＃xff0c;滤波电阻 R1 的阻值不能太大&＃xff0c;因为 流过负载的直流电流要流过 R1&＃xff0c;在 R1 上会产生直流 压降&＃xff0c;使直流输出电压 Uo2 减小。R1 的阻值越大&＃xff0c;或流 过负载的电流越大时&＃xff0c;在 R1 上的压降越大&＃xff0c;使直流输 出电压越低。
3. C1 是第一节滤波电容&＃xff0c;加大容量可以提高滤 波效果。但是 C1 太大后&＃xff0c;在开机时对 C1 的充电时间 很长&＃xff0c;这一充电电流是流过整流二极管的&＃xff0c;当充电电流 太大、时间太长时&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;分 别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中&＃xff0c; Uo1 只经过电 容 C1 滤波&＃xff1b; Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波&＃xff0c;所 以滤波效果更好&＃xff0c; Uo2 中的交流成分更小&＃xff1b; Uo3 则经过了 2 节滤波电路的滤波&＃xff0c;滤波效果最好&＃xff0c;所以 Uo3 中的交 流成分最少。

3 个直流输出电压的大小是不同的。 Uo1 电压最 高&＃xff0c;一般这一电压直接加到功率放大器电路&＃xff0c;或加到需 要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中&＃xff1b; Uo2 电 压稍低&＃xff0c;这是因为电阻 R1 对直流电压存在电压降&＃xff1b; Uo3 电压最低&＃xff0c;这一电压一般供给前级电路作为直流工作 电压&＃xff0c;因为前级电路的直流工作电压比较低&＃xff0c;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&＃xff0c;因为滤波电阻对直流电和交流 电存在相同的电阻&＃xff0c;而滤波电感对交流电感抗大&＃xff0c;对直 流电的电阻小&＃xff0c;这样既能提高滤波效果&＃xff0c;又不会降低直 流输出电压。

在图 5 的电路中&＃xff0c;整流电路输出的单向脉动性直 流电压先经电容 C1 滤波&＃xff0c;去掉大部分交流成分&＃xff0c;然后 再加到 L1 和 C2 滤波电路中。

对于交流成分而言&＃xff0c; L1 对它的感抗很大&＃xff0c;这样在 L1 上的交流电压降 大&＃xff0c;加到负载上的交 流成分小。

对直流电而言&＃xff0c; 由于 L1 不呈现感抗&＃xff0c; 相当于通路&＃xff0c;同时滤 波电感采用的线径较粗&＃xff0c;直流电阻很小&＃xff0c;这样对直流电 压基本上没有电压降&＃xff0c;所以直流输出电压比较高&＃xff0c;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&＃xff0c; 起到滤波管作用&＃xff0c; C1 是 VT1 的基极滤波电容&＃xff0c; R1 是 VT1 的基极偏置电阻&＃xff0c; RL 是这一滤波电路的负载&＃xff0c; C2 是输出电压的滤波电容。

电子滤波电路工作原理如下&＃xff1a;

①电路中的 VT1、 R1、 C1 组成电 子滤波器电路&＃xff0c;这 一电路相当于一 只容量为 C1*β1 大小电容器&＃xff0c;β1 为 VT1 的电流放 大倍数&＃xff0c;而晶体管 的电流放大倍数 比较大&＃xff0c;所以等效 电容量很大&＃xff0c;可见 电子滤波器的滤 波性能是很好的。等效电路如图 6&＃xff08;b&＃xff09;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&＃xff0c; R1 一方面为 VT1 提供基极偏置电流&＃xff0c;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&＃xff0c;这一电流 很小&＃xff0c; R1 的阻值可以取得比较大&＃xff0c;这样 R1 和 C1 的滤 波效果就很好&＃xff0c;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&＃xff0c;这样 VT1 发射极输出电压中交流成分也很少&＃xff0c;达到滤波的 目的。

③在电子滤波器中&＃xff0c;滤波主要是靠 R1 和 C1 实现 的&＃xff0c;这也是 RC 滤波电路&＃xff0c;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&＃xff0c;流过滤波电阻 R1 的电流是 VT1 基极电 流&＃xff0c;基极电流很小&＃xff0c;所以可以使滤波电阻 R1 的阻值 设得很大&＃xff08;滤波效果好&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;从而决定了 VT1 集电极与发射极之间的管压 降&＃xff0c;也就决定了 VT1 发射极输出直流电压大小&＃xff0c;所以改 变 R1 的大小&＃xff0c;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&＃xff0c;与前一种电 路相比&＃xff0c;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&＃xff1a;

在 VT1 基极 与地端之间接入 了稳压二 极 管 VD1 后&＃xff0c;输入电 压经 R1 使稳压 二极管 VD1 处于 反向偏置状态&＃xff0c;此时 VD1 的稳压特性使 VT1 管的基极 电压稳定&＃xff0c;这样 VT1 发射极输出的直流电压也比较稳 定。注意&＃xff1a;这一电压的稳定特性是由于 VD1 的稳压特性 决定的&＃xff0c;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&＃xff0c;改变 R1 的大小不能改变 VT1 发射极输出电压大小&＃xff0c;由于 VT1 的发射结存在 PN结电压降&＃xff0c;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&＃xff0c;起到滤 波作用。

在有些场合下&＃xff0c;为了进一步提高滤波效果&＃xff0c;可采用 双管电子滤波器电路&＃xff0c; 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&＃xff0c;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&＃xff1a;

&＃xff08;1&＃xff09;分析滤波电容工作原理时&＃xff0c;主要利用电容器的 “隔直通交”特性&＃xff0c;或是充电与放电特性&＃xff0c;即整流电路输 出单向脉动性直流电压时对滤波电容充电&＃xff0c;当没有单 向脉动性直流电压输出时&＃xff0c;滤波电容对负载放电。

&＃xff08;2&＃xff09;分析滤波电感工作原理时&＃xff0c; 主要是认识电感器对 直流电的电阻很小、 无感抗作用&＃xff0c; 而对交流电存在感抗。

&＃xff08;3&＃xff09;进行电子滤波器电路分析时&＃xff0c;要知道电子滤波 管基极上的电容是滤波的关键元件。另外&＃xff0c;要进行直流 电路的分析&＃xff0c;电子滤波管有基极电流和集电极、发射极 电流&＃xff0c;流过负载的电流是电子滤波管的发射极电流&＃xff0c;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&＃xff0c;从而改变电子滤波器输出的直流电压 大小。

&＃xff08;4&＃xff09;电子滤波器本身没有稳压功能&＃xff0c;但加入稳压二 极管之后可以使输出的直流电压比较稳定。