什么是LC濾波電路

1、什么是LC濾波電路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組合而成,與諧波源并聯(lián),除起濾波作用外,還兼顧無功補償?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,且在大

2、電流負載時應采用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

3、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。為獲得比較理想的直流電壓,需要利用具有儲能作用的電抗性元件(如電容、電感組成的濾波電路來濾除整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。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波(包括倒L型、LC濾波、LC型濾波和RC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)為S=1.57,全波整流和橋式整流的輸出電壓的

4、脈動系數(shù)SO.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-型濾波電路,實質(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(BRC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/C2RS。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,實現(xiàn)

5、起來也不現(xiàn)實。這種電路一般用于負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。因為電容器C對直流開路,對交流阻抗小,所以C并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小,對交流阻抗大,因此L應與負載串聯(lián)。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)過濾波電路向負載放電,負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,當輸入電壓增高時,與負載串聯(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,當電流減

6、小時,又將能量釋放出來,使負載電流變得平滑,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,在整流電路的負載回路中串聯(lián)一個電感,使輸出電流波形較為平滑。因為電感對直流的阻抗小,交流的阻抗大,因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點是體積大,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,當輸出電流發(fā)生變化時,L中將感應出一個反電勢,使整流管的導電角增大,其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。什么是濾波器?濾波器是用來消除干擾雜訊的器件,將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的交流電。1.濾波器的功能濾波器的主要功能是讓部分頻率的信號順利的通過,而

7、另外一部分頻率的信號則受到抑制,它是一個選頻電路。濾波器中,把信號能夠通過的頻率范圍,稱為通頻帶或通帶;反之,信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶;通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率;理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù),在阻帶內(nèi)的電壓增益為零;實際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶。2.濾波器的分類( 1按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。( 2按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器:它允許信號中的低頻或直流分量通過,抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器:它允許信號中的高頻分量通過,抑制低頻或直流分量。帶通濾波器:它允許一定頻段的信

8、號通過,抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器:它抑制一定頻段內(nèi)的信號,允許該頻段以外的信號通過。( 3按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。無源濾波器:僅由無源元件(R、L 和C組成的濾波器,它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是:電路比較簡單,不需要直流電源供電,可靠性高;缺點是:通帶內(nèi)的信號有能量損耗,負載效應比較明顯,使用電感元件時容易引起電磁感應,當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用。有源濾波器:由無源元件(一般用R和C和有源器件(如集成運算放大器組成。這類濾波器的優(yōu)點是:通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗,而且還

9、可以放大,負載效應不明顯,多級相聯(lián)時相互影響很小,利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器,并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件;缺點是:通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器的帶寬限制,需要直流電源供電,可靠性不如無源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場合不適用。3. 濾波器的主要參數(shù)( 1通帶增益A0:濾波器通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)。( 2特征角頻率和特征頻率fn:它只與濾波用的電阻和電容元件的參數(shù)有關(guān),通常對于帶通(帶阻濾波器,稱為帶通(帶阻濾波器的中心角頻率或中心頻率f0,是通帶(阻帶內(nèi)電壓增益最大(最小點的頻率。( 3截止角頻率和截止頻率f0:它是電壓增益下降到 (即時

10、所對應的角頻率。必須注意不一定等于。帶通和帶阻濾波器有兩個。( 4通帶(阻帶寬度BW:它是帶通(帶阻濾波器的兩個之差值。( 5等效品質(zhì)因數(shù)Q:對低通和高通濾波器而言,Q值等于時濾波器電路電壓增益的模與通帶增益之比,即;對帶通(帶阻濾波器而言,Q值等于中心角頻率與通帶(阻帶寬度BW 之比4. 有源濾波器的階數(shù)有源濾波器傳遞函數(shù)分母中“S”的最高“方次”稱為濾波器的“階數(shù)”。階數(shù)越高,濾波器幅頻特性的過渡帶越陡,越接近理想特性。一般情況下,一階濾波器過渡帶按每十倍頻20dB速率衰減;二階濾波器每十倍頻40dB速率衰減。高階濾波器可由低階濾波器串接組成。5. 低通和高通濾波器之間的對偶關(guān)系( 1幅頻

11、特性的對偶關(guān)系當?shù)屯V波器和高通濾波器的通帶增益 A0、截止頻率或 f0分別相等時,兩者的幅頻特性曲線相對于垂直線f=f0對稱。( 2傳遞函數(shù)的對偶關(guān)系將低通濾波器傳遞函數(shù)中的S換成1/S,則變成對應的高通濾波器的傳遞函數(shù)。( 3電路結(jié)構(gòu)上的對偶關(guān)系將低通濾波器中的起濾波作用的電容C換成電阻R,并將起濾波作用的電阻R換成電容C,則低通濾波器轉(zhuǎn)化為對應的高通濾波器。圖2電感濾波電路在橋式整流電路中,當u2正半周時, D1、D3導電,電感中的電流將滯后u2不到90°。當u2超過90°后開始下降,電感上的反電勢有助于D1、D3繼續(xù)導電。當u2處于負半周時,D2、D4導電,變壓器副

12、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。由于橋式電路的對稱性和電感中電流的連續(xù)性,四個二極管D1、D3;D2、D4的導電角都是180°,這一點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,二極管的導通角也是180°,當忽略電感器L 的電阻時,負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)過電感后的損失很小,但是對于交流分量

13、,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.空載時的情況當電路采用電容濾波,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u2在正半周時,通過D1、D3向電容器C充電;當在u2的負半周時,通過D2、D4向電容器C充電,充電時間常數(shù)為式中包括變壓器副邊繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮?。由于一般很?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。

14、此后,u2開始下降,由于電路輸出端沒接負載,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,處于截止狀態(tài),電路的輸出電壓file:/C:/DOCUME1/WANGKU1/LOCALS1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg,電路輸出維持一個恒定值。實際上電路總要帶一定的負載,有負載的情況如下。2.帶載時的情況圖5給出了電容濾波電路在帶電阻負載后的工作情況。接通交流電源后,二極管導通,整流電源同時向電容充電和向負載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在時刻,即達到u2 90°峰值時,u2開始以正弦規(guī)律下降

15、,此時二極管是否關(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)律向負載放電,從而維持一定的負載電流。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,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,二極

16、管重又導電。以上過程電容器的放電時間常數(shù)為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NTC熱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。這種電路缺點是:斷電后,在熱時間常數(shù)內(nèi), NTC熱敏電阻沒有恢復到零功率電阻值,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載時電壓為何升高?這是因為加上濾波測得的電壓是含有脈動成分的峰值電壓,加上負載后就是平均值,計算:峰值電壓=1.414×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+=IRL/(1+。流過電阻R的電流僅為負載電流的1/(1+.所以可以采用較大的R,與C2配合以