LC濾波電路原理與設(shè)計(jì)詳解

1、LC濾波電路LC 濾波器也稱為無源濾波器，是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置。LC濾波器之所以稱 為無源濾波器，顧名思義，就是該裝置不需要額外提供電源。 LC濾波器一般是 由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外, 還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?；無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的 濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電 感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、 雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。LC 濾波器的適用場合無源LC電路不易集成，通常電源中整流后的濾波電路均采用無源電路，且

2、在大電流負(fù)載時應(yīng)采用LC電路。有源濾波器適用場合有源濾波器電路不適于高壓大電流的負(fù)載，只適用于信號處理, 濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)富立葉分析和變換提出的一個工程概念。 根據(jù)高等數(shù)學(xué) 理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。 換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路， 叫做經(jīng)典濾波器或 濾波 電路電容濾波電路 電感濾波電路作用原理為獲得比較理想的直流電壓， 電感）

3、組成的濾波電路來濾除整整流電路的輸出電壓不是純粹的直流， 從示波器觀察整流電路的輸出，與直流相 差很大，波形中含有較大的脈動成分，稱為紋波。無源濾波的主要形式有電容濾需要利用具有儲能作用的電抗性元件 （如電容、 流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得直流電壓。常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。波、電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCn型濾波和RGt型濾波等）。 有源濾波的主要形式是有源 RC濾波，也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動成 分的大小用脈動系數(shù)來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。脈動系數(shù)（s）=輸出電壓交流分量的基波最大值/輸出電壓的直流分量半波整流輸出電壓的脈動系數(shù)

4、為 S=1. 57,全波整流和橋式整流的輸出電壓 的脈動系數(shù)S- 0. 67。對于全波和橋式整流電路采用 C型濾波電路后，其脈動系數(shù)S=1/(4(RLC/T-1) 。 (T為整流輸出的直流脈動電壓的周期。)電阻濾波電路RC-n型濾波電路，實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級 RC濾波電路組成的。 如圖1(B)RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動系數(shù)，則輸出電壓兩端的 脈動系數(shù)S=(1/ 3 C2R)S由分析可知，電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端，最后由 C2再旁路掉。在3值一定的情況下，R愈大，C2愈大，則脈動系數(shù)愈小，也就 是濾波效果就越好。而R值增大時，電阻上的直流壓降會增

5、大，這樣就增大了直 流電源的內(nèi)部損耗；若增大 C2的電容量，又會增大電容器的體積和重量，實(shí)現(xiàn) 起來也不現(xiàn)實(shí)。這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場合 .電感濾波電路根據(jù)電抗性元件對交、直流阻抗的不同，由電容 C及電感L所 組成的濾波電路的基本形式如圖1所示。因?yàn)殡娙萜鰿對直流開路，對交流阻抗 小，所以C并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此 L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。&入C1RL轉(zhuǎn)入C1C2RL(A)電容濾波動系數(shù) S=(1/ 3 C2R')S'(B)C-R-C或RC-n型電阻濾波 脈L1輸入ELL1Cl©入RLClC2LC電感濾波(D)n型濾波或叫C-

6、L-C濾波圖1無源濾波電路的基本形式并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時，給電容器充電，可把部分能量存儲在電容器 中。而當(dāng)輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲的能量 釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負(fù)載放電，負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑， 起到 了平波作用。若采用電感濾波，當(dāng)輸入電壓增高時，與負(fù)載串聯(lián)的電感L中的電 流增加，因此電感L將存儲部分磁場能量，當(dāng)電流減小時，又將能量釋放出來， 使負(fù)載電流變得平滑，因此，電感 L也有平波作用。利用儲能元件電感器L的電流不能突變的特點(diǎn)，在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián) 一個電感，使輸出電流波形較為平滑。因?yàn)殡姼袑χ绷鞯淖杩剐?，交流的阻抗? 因此能夠得

7、到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點(diǎn)是體積大 ，成本高.橋式整流電感濾波電路如圖2所示。電感濾波的波形圖如圖2所示。根據(jù)電感的 特點(diǎn)，當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時，L中將感應(yīng)出一個反電勢，使整流管的導(dǎo)電角增 大，其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。D】L_ 4輕0圖2電感濾波電路在橋式整流電路中，當(dāng)u2正半周時，D1、D3導(dǎo)電，電感中的 電流將滯后u2不到90°。當(dāng)u2超過90°后開始下降，電感上的反電勢有助于 D1、D3繼續(xù)導(dǎo)電。當(dāng)u2處于負(fù)半周時，D2、D4導(dǎo)電，變壓器副邊電壓全部加到 D1、D3兩端，致使D1、D3反偏而截止，此時，電感中的電流將經(jīng)由D2 D4提供。由于橋式電路的

8、對稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管D1、D3; D2D4的導(dǎo)電角0都是180°,這一點(diǎn)與電容濾波電路不同。圖3電感濾波電路波形圖已知橋式整流電路二極管的導(dǎo)通角是 180°,整流輸出電壓是半個半個正弦波， 其平均值約為。電感濾波電路，二極管的導(dǎo)通角也是 180。，當(dāng)忽略電感器L 的電阻時，負(fù)載上輸出的電壓平均值也是。如果考慮濾波電感的直流電阻 R,則電感濾波電路輸出的電壓平均值為%二應(yīng)+盤L "6要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大，即RL不能太大，應(yīng)滿足wL>>RL此時10 (AV可用下式計(jì)算由于電感的直流電阻小，交流阻抗很大，因此直流分量經(jīng)過電感

9、后的損失很小， 但是對于交流分量，在wL和上分壓后，很大一部分交流分量降落在電感上， 因 而降低了輸出電壓中的脈動成分。電感 L愈大，RL愈小，則濾波效果愈好，所 以電感濾波適用于負(fù)載電流比較大且變化比較大的場合。采用電感濾波以后，延長了整流管的導(dǎo)電角，從而避免了過大的沖擊電流。電容濾波原理詳解 1.空載時的情況u2的負(fù)半D當(dāng)電路采用電容濾波，輸出端空載，如圖4(a)所示，設(shè)初始時電容電壓uC為零。 接入電源后，當(dāng)u2在正半周時，通過D1、D3向電容器C充電；當(dāng)在 周時，通過D2 D4向電容器C充電，充電時間常數(shù)為L -(a)電路(b)波形圖一般很空載時橋式整流電容濾波電路式中 包括變壓器副邊

10、繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮?。由?小，電容器很快就充到交流電壓u2的最大值，如波形圖2 (b)的時刻。此后, u2開始下降，由于電路輸出端沒接負(fù)載，電容器沒有放電回路，所以電容電壓 值uC不變，此時，uC>u2,二極管兩端承受反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，電路的 輸出電壓%=%，電路輸出維持一個恒定值。實(shí)際上電路總要帶一定的負(fù) 載，有負(fù)載的情況如下。2.帶載時的情況 圖5給出了電容濾波電路在帶電阻負(fù)載后的工作情況。 接通交流電源后，二極管導(dǎo)通，整流電源同時向電容充電和向負(fù)載提供電流 ，輸出電壓的波形是正弦形。 在 時刻，即達(dá)到u2 90。峰值時，u2開始以正弦規(guī)律下降，此時二極管是否

11、關(guān) 斷，取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。先設(shè)達(dá)到90°后，二極管關(guān)斷，那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電，從 而維持一定的負(fù)載電流。但是90°后指數(shù)規(guī)律下降的速率快，而正弦波下降的 速率小，所以超過90°以后有一段時間二極管仍然承受正向電壓，二極管導(dǎo)通。 隨著u2的下降，正弦波的下降速率越來越快，uC的下降速率越來越慢。所以在 超過90°后的某一點(diǎn)，例如圖5(b)中的t2時刻，二極管開始承受反向電壓，二 極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負(fù)載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流， 直至下一 個半周的正弦波來到，u2再次超過uC,如圖5(b)中的t3時刻，二

12、極管重又導(dǎo)電。以上過程電容器的放電時間常數(shù)為電容濾波一般負(fù)載電流較小，可以滿足td較大的條件，所以輸出電壓波U0(AV大,形的放電段比較平緩, 具有較好的濾波特性。紋波較小，輸出脈動系數(shù) S小，輸出平均電壓圖 形圖D】總彈;Rl僉0嚴(yán)口 _ I > Jl /F； I * X J Ii I I 'b'III r (a)電路(b)波帶載時橋式整流濾波電路以上濾波電路都有一個共性，那就是需要很大的電容容量才能 滿足要求,這樣一來大容量電容在加電瞬間很有很大的短路電流 ，這個電流對整 流二極管,變壓器沖擊很大，所以現(xiàn)在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC熱敏電阻來維持平衡,因N

13、T®敏電阻在常溫下電阻很大，加電后隨著溫度升 高，電阻阻值迅速減小，這個電路叫軟起動電路。這種電路缺點(diǎn)是：斷電后，在 熱時間常數(shù)內(nèi)，NTC熱敏電阻沒有恢復(fù)到零功率電阻值，所以不宜頻繁的開啟。為什么整流后加上濾波電容在不帶負(fù)載時電壓為何升高？這是因?yàn)榧由蠟V波測得的電壓是含有脈動成分的峰值電壓，加上負(fù)載后就是平均 值，計(jì)算：峰值電壓=1.414 X理論輸出電壓 有源濾波-電子電路濾波 電阻濾波本身有很多矛盾，電感濾波成本又高，故一般線路常采用有源濾波電路， 電路如圖6。它是由C1、R C2組成的n型RC濾波電路與有源器件晶體管 T組 成的射極輸出器連接而成的電路。由圖6可知，流過R的電流IR=IE /(1+ P )=IRL /(1+ P )。流過電阻R的電流僅為負(fù)載電流的1/(1+ P ) 所以可以采用較大的R, 與C2配合以獲得較好的濾波效果，以使C2兩端的電壓的脈動成分減小，輸出電 壓和C2兩端的電壓基本相等，因此輸出電壓的脈動成分也得到了削減。從RL負(fù)載電阻兩端看，基極回路的濾波元件 R C2折