整流濾波電路的設(shè)計(jì)

1、110.3 10.3 濾波電路濾波電路交流交流電壓電壓脈動(dòng)脈動(dòng)直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波直流直流電壓電壓 經(jīng)過整流后的電源電壓雖然沒有交流變化成分，經(jīng)過整流后的電源電壓雖然沒有交流變化成分，但其脈動(dòng)較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動(dòng)成分，但其脈動(dòng)較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動(dòng)成分，使其更接近于直流。使其更接近于直流。 濾波的方法一般采用無源元件電容或電感，利濾波的方法一般采用無源元件電容或電感，利用其對電壓、電流的儲(chǔ)能特性達(dá)到濾波的目的。用其對電壓、電流的儲(chǔ)能特性達(dá)到濾波的目的。2一、電容濾波電路一、電容濾波電路 電容濾波電路是使用最多也是最簡單的濾波電路。電容濾波電路是使用最多也是最簡

2、單的濾波電路。其結(jié)構(gòu)為在整流電路的輸出端并聯(lián)一較大容量的電解其結(jié)構(gòu)為在整流電路的輸出端并聯(lián)一較大容量的電解電容，利用電容對電壓的充放電作用使輸出電壓趨于電容，利用電容對電壓的充放電作用使輸出電壓趨于平滑。該形式電路多用于小功率電源電路中。平滑。該形式電路多用于小功率電源電路中。1電容濾波原理電容濾波原理以單向以單向橋式整流電橋式整流電容濾波為例容濾波為例進(jìn)行分析，進(jìn)行分析，其電路如圖其電路如圖所示。所示。a橋式整流電容濾波電路橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC3當(dāng)當(dāng)RL未接入時(shí)未接入時(shí)(電容初始電壓為電容初始電壓為0)：u2tuot設(shè)設(shè)t1時(shí)刻接時(shí)刻接通電源通電源t

3、1整流電路為整流電路為電容充電電容充電充電結(jié)束充電結(jié)束沒有電容沒有電容時(shí)的輸出時(shí)的輸出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucuo =uc= U22c=RintC（Rint為充電回為充電回路等效電阻）路等效電阻）4當(dāng)當(dāng)RL接入時(shí)（假設(shè)接入時(shí)（假設(shè)RL是是u2在從在從0上升時(shí)接入的）：上升時(shí)接入的）：u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot無濾波電容無濾波電容時(shí)的波形時(shí)的波形加入濾波電容加入濾波電容時(shí)的波形時(shí)的波形5uotu2上升上升, u2大于電容大于電容上的電壓上的電壓uc,u2對電容充電，對電容充電，uo= uc u2u2下降，下降， u2小于電容上的電壓。小

4、于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。二極管承受反向電壓而截止。電容電容C通過通過RL放電，放電， uc按指數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù) = RL C6u2tuot只有整流電路輸出只有整流電路輸出電壓大于電壓大于uc時(shí)，才時(shí)，才有充電電流。因此有充電電流。因此二極管中的電流是二極管中的電流是脈沖波。脈沖波。二極管中的二極管中的電流電流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC7u2tuot電容充電時(shí)，電容充電時(shí)，電容電壓滯后電容電壓滯后于于u2。RLC越小，輸越小，輸出電壓越低。出電壓越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且接入（且RLC較大）時(shí)較大）時(shí)

5、82電容濾波的主要參數(shù)電容濾波的主要參數(shù) 因?yàn)闉V波的過程中含有正弦波、指數(shù)曲線及諧因?yàn)闉V波的過程中含有正弦波、指數(shù)曲線及諧波成分，一般很難用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，波成分，一般很難用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，所以一般使用中多采用近似估算來確定其參數(shù)。所以一般使用中多采用近似估算來確定其參數(shù)。 輸出電壓可以近似看成輸出電壓可以近似看成鋸齒波，如圖所示。鋸齒波，如圖所示。 設(shè)設(shè)uc每次充電到峰值每次充電到峰值Uomax= U2后按后按RLC放電的放電的初始斜率線性下降，經(jīng)過初始斜率線性下降，經(jīng)過=RLC放電結(jié)束交于橫軸；放電結(jié)束交于橫軸；2 并令在并令在 （T為正弦波周為正弦波周期）處為電容充放

6、電轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓值期）處為電容充放電轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓值Uomin。2T則：則：2UUUOminOmax)AV(O 9CR2TUUULOmaxOminOmax 由相似三角形關(guān)系可得：由相似三角形關(guān)系可得：OmaxLOminOmaxUC4RT2UU 2UUUOminOmax)AV(O 則：則：2UUUOminOmaxOmax )C4RT1(ULOmax 即：即：)C4RT1(U2UL2O(AV) Io(AV)= Uo(AV)/RL10脈動(dòng)系數(shù)脈動(dòng)系數(shù)S：采用近似波形計(jì)算。采用近似波形計(jì)算。以（以（UomaxUomin）為基波峰）為基波峰-峰值，則峰值，則OmaxLOminOmaxUC4RT2UU 1TC

7、4R1TC4RT)C4RT1(UUC4RTSLLLOmaxOmaxL 實(shí)際實(shí)際uo的波動(dòng)沒有近似波形誤差大，故實(shí)際的波動(dòng)沒有近似波形誤差大，故實(shí)際S比比計(jì)算值要小。計(jì)算值要小。11一般取一般取近似估算近似估算: Uo(AV)1.2U2(b) 流過二極管瞬時(shí)電流很大流過二極管瞬時(shí)電流很大RLC 越大越大 Uo越高越高負(fù)載電流的平均值越大負(fù)載電流的平均值越大 ; 整流管導(dǎo)電時(shí)間越短整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 iD的峰值電流越大的峰值電流越大(a) 輸出電壓輸出電壓 平均值平均值Uo與時(shí)間常數(shù)與時(shí)間常數(shù) RLC 有關(guān)有關(guān)RLC 愈大愈大 電容器放電愈慢電容器放電愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二極

8、管承受的最高反向電壓：二極管承受的最高反向電壓：22UURMT)5 . 25 . 1(2T)53(CRL (d) 濾波電容應(yīng)選用耐壓濾波電容應(yīng)選用耐壓1.1 的電解電容。的電解電容。2U212 由由UO(AV)的表達(dá)式可看出，的表達(dá)式可看出，C越大，越大， UO(AV)也越也越大，大，IO(AV)也會(huì)增大，而整流管的通電時(shí)間卻越短，也會(huì)增大，而整流管的通電時(shí)間卻越短，整流管的導(dǎo)通電流加大，如果整流管的導(dǎo)通電流加大，如果C太大則初始充電時(shí)太大則初始充電時(shí)間要長，整流管中通過的沖擊電流時(shí)間加長，長時(shí)間要長，整流管中通過的沖擊電流時(shí)間加長，長時(shí)間會(huì)影響整流管使用壽命。所以一般選擇整流管時(shí)間會(huì)影響整流

9、管使用壽命。所以一般選擇整流管時(shí)ID(AV)（23） IO(AV) 。 改變改變RLC會(huì)對會(huì)對UO(AV)和和S有影響，將有影響，將UO(AV)和和IO(AV)的關(guān)系曲線稱為的關(guān)系曲線稱為輸出特性輸出特性，將，將S和和IO(AV)的關(guān)系曲線稱的關(guān)系曲線稱為為濾波特性濾波特性，如果，如果RLC越小，越小，UO(AV)越低，則越低，則S越越大，而加大大，而加大C可使濾波效果和負(fù)載能力增強(qiáng)，但可使濾波效果和負(fù)載能力增強(qiáng)，但 C不能無限增大。不能無限增大。 所以電容濾波形式電路一般適用于輸出電流較所以電容濾波形式電路一般適用于輸出電流較小且負(fù)載變化不大的場合。小且負(fù)載變化不大的場合。13電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)

10、構(gòu): 在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。就構(gòu)成了電感濾波電路。u2u1RLLuo二、電感濾波電路二、電感濾波電路14電感濾波原理電感濾波原理對諧波分量對諧波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,電壓大部分降在電壓大部分降在XL上。上。 因此，因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。在輸出端得到比較平滑的直流電壓。Uo(AV)0.9U2當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓: :u2u1RLLuo對直流分量對直流分量: XL=0 相當(dāng)于短路相當(dāng)于短路,電壓大部分降在電壓大部分降在RL上上15三、其他形

11、式的濾波電路三、其他形式的濾波電路改善濾波特性的方法：改善濾波特性的方法：采取多級(jí)濾波。如：采取多級(jí)濾波。如：L-C 型濾波電路：型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。在電感濾波后面再接一電容。RC 型濾波電路：型濾波電路：在電容濾波后再接一級(jí)在電容濾波后再接一級(jí)RC濾濾波電路。波電路。 性能及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。性能及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。LC 型濾波電路：型濾波電路：在電容濾波后面再接在電容濾波后面再接L-C 型型濾波電路。濾波電路。16. . RC RC 型型濾波器濾波器改善濾波特性的方法：改善濾波特性的方法：采取多級(jí)濾波采取多級(jí)濾波uoRu2u1C1C

12、2uo1 RLRC 型型濾波器濾波器17uoRu2u1C1C2uo1 RLuo的交流分量的基波的幅值：的交流分量的基波的幅值：moCLCLmoUXRRXRU1221)j/()j/(moLLLmoUCRRCRRRU122221)1()/(118通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：)/(12LRRCmoLLLmoURRCRRRU121)/(1moLLLmoUCRRCRRRU122221)1()/(1uo的脈動(dòng)系數(shù)的脈動(dòng)系數(shù)S與與uo1的脈動(dòng)系數(shù)的脈動(dòng)系數(shù)S 的關(guān)系：的關(guān)系：SRRCUURRCUUSLomoLomo)/(1)/(1212119、 L L- -C C 型濾波電路型濾

13、波電路u2u1LuoCRLuo1設(shè)設(shè)uo1的直流分量為的直流分量為U O，交流分量的基波的幅，交流分量的基波的幅值為值為U O1m，：，：29 . 0 UUUoo67. 0SmoCLLCLmoUXRXXRU11)j/(j)j/(20moCLLCLmoUXRXXRU11)j/(j)j/(通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：LRC1momoCLCmoULCUXXXU121111jjjuo的脈動(dòng)系數(shù)的脈動(dòng)系數(shù)S與與uo1的脈動(dòng)系數(shù)的脈動(dòng)系數(shù)S 的關(guān)系：的關(guān)系：SLCUULCUUSomoomo2121111121、LC LC 型濾波電型濾波電路路u2u1LuoC2RLuo1C1顯然

14、，顯然， LC 型濾波電路輸出電壓的脈動(dòng)系型濾波電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)比只有數(shù)比只有LC濾波時(shí)更小，濾波時(shí)更小，波形更加平滑波形更加平滑；由；由于在輸入端接入了電容，因而較只有于在輸入端接入了電容，因而較只有LC濾波濾波時(shí)，時(shí)，提高了輸出電壓提高了輸出電壓。請自行分析請自行分析LC 型濾波電路的輸出型濾波電路的輸出電壓和脈動(dòng)系數(shù)等基本參數(shù)。電壓和脈動(dòng)系數(shù)等基本參數(shù)。22四四 倍壓整流電路倍壓整流電路 利用濾波電容的充放電作用，將多個(gè)電容和二極利用濾波電容的充放電作用，將多個(gè)電容和二極管組合可獲得倍數(shù)于變壓器附邊電壓的輸出電壓。管組合可獲得倍數(shù)于變壓器附邊電壓的輸出電壓。1、二倍壓整流電路、二倍

15、壓整流電路u2的正半周時(shí)：的正半周時(shí)：D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2截止，理想情況下，電截止，理想情況下，電容容C1的電壓：的電壓：21CU2U u2的負(fù)半周時(shí)：的負(fù)半周時(shí)：D2導(dǎo)通，導(dǎo)通，D1截止，理想情況下，電截止，理想情況下，電容容C2的電壓：的電壓：21C22CU22UUU 輸出端的電壓：輸出端的電壓：22COU22UU 即二倍壓電壓。即二倍壓電壓。23+22U2、多倍壓整流電路、多倍壓整流電路+222Uu2的第一個(gè)正半周：的第一個(gè)正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，構(gòu)成回路，C1充充電到：電到：22Uu2的第一個(gè)負(fù)半周：的第一個(gè)負(fù)半周：u2、C2、D2 、C1構(gòu)成回路，構(gòu)成回路，C2充電到：充電

16、到：222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C624+22U+222U+222U+222U+222U+222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個(gè)正半周：的第二個(gè)正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2構(gòu)成回構(gòu)成回路，路， C1補(bǔ)充電荷，補(bǔ)充電荷，C3充電到：充電到：222Uu2的第二個(gè)負(fù)半周：的第二個(gè)負(fù)半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1構(gòu)構(gòu)成回路，成回路， C2補(bǔ)充電荷，補(bǔ)充電荷， C4充電到：充電到：222U把電容接在相應(yīng)電容組的兩端，即把電容接在相應(yīng)電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。可獲得所需的多倍壓直流輸出。251

17、0.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路的作用穩(wěn)壓電路的作用: :使直流電路在電網(wǎng)波使直流電路在電網(wǎng)波動(dòng)、負(fù)載變化、溫度變化等因素影響下保證動(dòng)、負(fù)載變化、溫度變化等因素影響下保證輸出電壓穩(wěn)定。輸出電壓穩(wěn)定。交流交流電壓電壓脈動(dòng)脈動(dòng)直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波有波紋的有波紋的直流電壓直流電壓穩(wěn)壓穩(wěn)壓直流直流電壓電壓26一一. . 穩(wěn)壓電源類型穩(wěn)壓電源類型以下主要討以下主要討論線性穩(wěn)壓論線性穩(wěn)壓電路。電路。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路開關(guān)型開關(guān)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路線性線性穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路( (小功率設(shè)備小功率設(shè)備) )電路最簡單，但是電路最簡單，但是

18、帶負(fù)載能力差，一帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，般只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使用。不作為電源使用。效率較高，目前效率較高，目前用的也比較多，用的也比較多，但因?qū)W時(shí)有限，但因?qū)W時(shí)有限，這里不做介紹。這里不做介紹。27二二. . 穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)(1)穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù) S（越小越好）（越小越好）穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)S反映電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)對穩(wěn)壓電路的反映電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，輸出電壓的相對變影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。化量與輸入電壓的相對變化量之比。OIOIUUSUU(2)輸出電阻輸出電阻Ro （越小

19、越好）（越小越好）輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電壓固定時(shí)輸出電壓變化量與輸出電定義為當(dāng)輸入電壓固定時(shí)輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實(shí)際上就是電源戴維南等效電路流變化量之比。它實(shí)際上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。的內(nèi)阻。28uiIZminIZmax穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路具有電路簡單、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路具有電路簡單、元件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為元件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。適用于負(fù)載電流小、負(fù)廣泛。適用于負(fù)載電流小、負(fù)載電壓不變的場合。載電壓不變的場合。三三. . 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路29從穩(wěn)壓管的特性可知，在電從穩(wěn)壓管的特性

20、可知，在電路中若能使穩(wěn)壓管始終工作路中若能使穩(wěn)壓管始終工作在穩(wěn)壓區(qū)內(nèi)，即：使穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓區(qū)內(nèi)，即：使穩(wěn)壓管的電流的電流IZ滿足條件：滿足條件： IZmin IZ IZmax,則輸出電則輸出電壓壓UO基本上保持不變，約為基本上保持不變，約為UZ。uiIZminIZmax 所以穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用是利用穩(wěn)壓管中所以穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用是利用穩(wěn)壓管中電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。電路中電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。電路中R必不可少，必不可少，其作用是限流和電壓、電流補(bǔ)償。其作用是限流和電壓、電流補(bǔ)償。30 通過對電路分析通過對電路分析容易得到關(guān)系式：容易得到關(guān)系式：ORIUUU OZRIII 1 1、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓

21、電路的工作原理、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)：當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)： RRZOIUIIUU OU以上過程是利用以上過程是利用 關(guān)系中，使關(guān)系中，使 ，從而實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)UO的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。ORIUUU IRUU 31當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)：當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)：不不變變不不變變OROZRZOLUIIIIIUR ROII以上過程是利用以上過程是利用 關(guān)系中，使關(guān)系中，使 ，使，使IR基本不變而實(shí)現(xiàn)基本不變而實(shí)現(xiàn)UO的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。OZII OZRIII 322 2、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo) 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)主要有穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)主要有穩(wěn)壓系數(shù)S S

22、r r、輸出電阻輸出電阻R RO O、電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率、最大紋波、電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率、最大紋波電壓、溫度系數(shù)等。主要了解前兩個(gè)。電壓、溫度系數(shù)等。主要了解前兩個(gè)。Sr定義為：定義為：在負(fù)載固定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變在負(fù)載固定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與輸入電壓相對變化量之比。化量與輸入電壓相對變化量之比。常常數(shù)數(shù) LRIIOOUUUUS Sr反映電網(wǎng)波動(dòng)對輸出電壓的影響，其值越小說反映電網(wǎng)波動(dòng)對輸出電壓的影響，其值越小說明穩(wěn)壓性能越好。明穩(wěn)壓性能越好。33RO定義為：定義為：在輸入電壓固定時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電在輸入電壓固定時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。壓變化量與輸出電流變化量之比。常常數(shù)數(shù) IUOOOIUR RO反映負(fù)載波動(dòng)對穩(wěn)壓電路的影響，其值越小說反映負(fù)載波動(dòng)對穩(wěn)壓電路的影響，其值越小說明穩(wěn)壓電路帶負(fù)載能力越強(qiáng)。明穩(wěn)壓電路帶負(fù)載能力越強(qiáng)。 在只考慮變化量條件下，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路可等在只考慮變化量條件下，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路可等效為如圖形式，效為如圖形式，rz為穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻。為穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻。+-UIUO+-IZIODZRLR限流電阻限流電阻IR+-UIUO+-RLRrz34脈動(dòng)系數(shù)脈動(dòng)系數(shù)Sr： Sr=(UO/UI)(UI/UO) +-UIUO+-RLRrz輸出電阻輸出電阻RO：RO=R/rzrzzzLz