整流濾波電路的設計

1、110.3 10.3 濾波電路濾波電路交流交流電壓電壓脈動脈動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，但其脈動較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動成分，但其脈動較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動成分，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、電流的儲能特性達到濾波的目的。用其對電壓、電流的儲能特性達到濾波的目的。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。其結構為在整流電路的輸出端并聯(lián)一較大容量的電解其結構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行分析，進行分析，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當當RL未接入時未接入時(電容初始電壓為電容初始電壓為0)：u2tuot設設t1時刻接時刻接通電源通電源t

3、1整流電路為整流電路為電容充電電容充電充電結束充電結束沒有電容沒有電容時的輸出時的輸出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucuo =uc= U22c=RintC（Rint為充電回為充電回路等效電阻）路等效電阻）4當當RL接入時（假設接入時（假設RL是是u2在從在從0上升時接入的）：上升時接入的）：u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot無濾波電容無濾波電容時的波形時的波形加入濾波電容加入濾波電容時的波形時的波形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，時間常數(shù)規(guī)律下降，時間常數(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，才時，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，電容充電時，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）時較大）時

5、82電容濾波的主要參數(shù)電容濾波的主要參數(shù) 因為濾波的過程中含有正弦波、指數(shù)曲線及諧因為濾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)學表達式進行計算，波成分，一般很難用精確的數(shù)學表達式進行計算，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。 設設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放電結束交于橫軸；放電結束交于橫軸；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)換時的電壓值期）處為電容充放電轉(zhuǎn)換時的電壓值Uomin。2T則：則：2UUUOminOmax)AV(O 9CR2TUUULOmaxOminOmax 由相似三角形關系可得：由相似三角形關系可得：OmaxLOminOmaxUC4RT2UU 2UUUOminOmax)AV(O 則：則：2UUUOminOmaxOmax )C4RT1(ULOmax 即：即：)C4RT1(U2UL2O(AV) Io(AV)= Uo(AV)/RL10脈動系數(shù)脈動系數(shù)S：采用近似波形計算。采用近似波形計算。以（以（UomaxUomin）為基波峰）為基波峰-峰值，則峰值，則OmaxLOminOmaxUC4RT2UU 1TC

7、4R1TC4RT)C4RT1(UUC4RTSLLLOmaxOmaxL 實際實際uo的波動沒有近似波形誤差大，故實際的波動沒有近似波形誤差大，故實際S比比計算值要小。計算值要小。11一般取一般取近似估算近似估算: Uo(AV)1.2U2(b) 流過二極管瞬時電流很大流過二極管瞬時電流很大RLC 越大越大 Uo越高越高負載電流的平均值越大負載電流的平均值越大 ; 整流管導電時間越短整流管導電時間越短 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與時間常數(shù)與時間常數(shù) RLC 有關有關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) 濾波電容應選用耐壓濾波電容應選用耐壓1.1 的電解電容。的電解電容。2U212 由由UO(AV)的表達式可看出，的表達式可看出，C越大，越大， UO(AV)也越也越大，大，IO(AV)也會增大，而整流管的通電時間卻越短，也會增大，而整流管的通電時間卻越短，整流管的導通電流加大，如果整流管的導通電流加大，如果C太大則初始充電時太大則初始充電時間要長，整流管中通過的沖擊電流時間加長，長時間要長，整流管中通過的沖擊電流時間加長，長時間會影響整流管使用壽命。所以一般選擇整流管時間會影響整流

9、管使用壽命。所以一般選擇整流管時ID(AV)（23） IO(AV) 。 改變改變RLC會對會對UO(AV)和和S有影響，將有影響，將UO(AV)和和IO(AV)的關系曲線稱為的關系曲線稱為輸出特性輸出特性，將，將S和和IO(AV)的關系曲線稱的關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可使濾波效果和負載能力增強，但可使濾波效果和負載能力增強，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載變化不大的場合。小且負載變化不大的場合。13電路結構電路結

10、構: 在橋式整流電路與負載間串入一電感在橋式整流電路與負載間串入一電感L就構成了電感濾波電路。就構成了電感濾波電路。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當忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓當忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓: :u2u1RLLuo對直流分量對直流分量: XL=0 相當于短路相當于短路,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：采取多級濾波。如：采取多級濾波。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在電容濾波后再接一級RC濾濾波電路。波電路。 性能及應用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。性能及應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：采取多級濾波采取多級濾波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的脈動系數(shù)的脈動系數(shù)S與與uo1的脈動系數(shù)的脈動系數(shù)S 的關系：的關系：SRRCUURRCUUSLomoLomo)/(1)/(1212119、 L L- -C C 型濾波電路型濾

13、波電路u2u1LuoCRLuo1設設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的脈動系數(shù)的脈動系數(shù)S與與uo1的脈動系數(shù)的脈動系數(shù)S 的關系：的關系：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系型濾波電路輸出電壓的脈動系數(shù)比只有數(shù)比只有LC濾波時更小，濾波時更小，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，時，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系數(shù)等基本參數(shù)。電壓和脈動系數(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，將多個電容和二極利用濾波電容的充放電作用，將多個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、二倍壓

15、整流電路u2的正半周時：的正半周時：D1導通，導通，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的負半周時：的負半周時：D2導通，導通，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的第一個正半周：的第一個正半周：u2、C1、D1構成回路，構成回路，C1充充電到：電到：22Uu2的第一個負半周：的第一個負半周：u2、C2、D2 、C1構成回路，構成回路，C2充電到：充電到

16、：222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C624+22U+222U+222U+222U+222U+222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個正半周：的第二個正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2構成回構成回路，路， C1補充電荷，補充電荷，C3充電到：充電到：222Uu2的第二個負半周：的第二個負半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1構構成回路，成回路， C2補充電荷，補充電荷， C4充電到：充電到：222U把電容接在相應電容組的兩端，即把電容接在相應電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出?？色@得所需的多倍壓直流輸出。2510

17、.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、負載變化、溫度變化等因素影響下保證動、負載變化、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脈動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)壓電路開關型開關型穩(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( (小功率設備小功率設備) )電路最簡單，但是電路最簡單，但是帶

18、負載能力差，一帶負載能力差，一般只提供基準電壓，般只提供基準電壓，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時有限，但因?qū)W時有限，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穩(wěn)壓電路的主要性能指標(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)電壓波動時對穩(wěn)壓電路的反映電網(wǎng)電壓波動時對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當負載固定時，輸出電壓的相對變影響。定義為當負載固定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比?；颗c輸入電壓的相對變化量之比。OIOIUUSUU(2)輸出電阻輸出電阻Ro （越小越

19、好）（越小越好）輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負載變化的影響。輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負載變化的影響。定義為當輸入電壓固定時輸出電壓變化量與輸出電定義為當輸入電壓固定時輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實際上就是電源戴維南等效電路流變化量之比。它實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，應用較為元件數(shù)量少等優(yōu)點，應用較為廣泛。適用于負載電流小、負廣泛。適用于負載電流小、負載電壓不變的場合。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)壓管的特性可

20、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)實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。電路中電流的調(diào)節(jié)實現(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、電流補償。其作用是限流和電壓、電流補償。30 通過對電路分析通過對電路分析容易得到關系式：容易得到關系式：ORIUUU OZRIII 1 1、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電

21、路的工作原理、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理當電網(wǎng)電壓變化時：當電網(wǎng)電壓變化時： RRZOIUIIUU OU以上過程是利用以上過程是利用 關系中，使關系中，使 ，從而實現(xiàn)，從而實現(xiàn)UO的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。ORIUUU IRUU 31當負載發(fā)生變化時：當負載發(fā)生變化時：不不變變不不變變OROZRZOLUIIIIIUR ROII以上過程是利用以上過程是利用 關系中，使關系中，使 ，使，使IR基本不變而實現(xiàn)基本不變而實現(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、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標主要有穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標主要有穩(wěn)壓系數(shù)S Sr

22、 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。電壓、溫度系數(shù)等。主要了解前兩個。Sr定義為：定義為：在負載固定時穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變在負載固定時穩(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?；颗c輸入電壓相對變化量之比。常常數(shù)數(shù) LRIIOOUUUUS Sr反映電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響，其值越小說反映電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響，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，穩(wěn)壓電路輸出電在輸入電壓固定時，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反映負載波動對穩(wěn)壓電路的影響，其值越小說反映負載波動對穩(wěn)壓電路的影響，其值越小說明穩(wěn)壓電路帶負載能力越強。明穩(wěn)壓電路帶負載能力越強。 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)壓管的動態(tài)電阻。為穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻。+-UIUO+-IZIODZRLR限流電阻限流電阻IR+-UIUO+-RLRrz34脈動系數(shù)脈動系數(shù)Sr： Sr=(UO/UI)(UI/UO) +-UIUO+-RLRrz輸出電阻輸出電阻RO：RO=R/rzrzzzLz