滤波电路

整流电路能将交流电转变为直流电,但由于交流电压大小时刻在变化,故整流后流过负载的电流大小也时刻变化。例如当变压器上的正半周交流电压逐渐上升时,经二极管整流后流过负载的电流会逐渐增大;而当变压器的正半周交流电压逐渐下降时,经整流后流过负载的电流会逐渐减小,这样忽大忽小的电流流过负载,负载很难正常工作。为了让流过负载的电流大小稳定不变或变化尽量小,需要在整流电路后加上滤波电路。

常见的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复合滤波电路等。

1、电容滤波电路

电容滤波电路是利用电容的充、放电原理工作的。电容滤波电路及有关的电压波形如下图所示。

电容滤波电路如上图一所示,电容C为滤波电容。220V交流电压经变压器T1降压后,在L2上得到图二所示的电压U2,在没有滤波电容C时,负载RL得到的电压为URL1,电压URL1随电压U2波动而波动,波动变化很大,如t1时刻电压URL1最大,t2时刻电压URL1变为0V,这样时大时小、时有时无的电压使负载无法正常工作,在整流电路之后增加滤波电容可以解决这个问题。

电容滤波原理说明如下。

在0-t1器件,电压U2极性为上正下负且大小逐渐增大,U2波形如上图二所示,VD1、VD3导通,电压U2通过VD1、VD3整流输出的电流一方面流过负载RL,另一方面对电容C充电,在电容C上充得上正下负的电压,t1时刻充得电压最高。

在t1-t2器件,电压U2极性为上正下负但大小逐渐减小,电容C上的电压高于电压U2,VD1、VD3截止,电容C开始对RL放电,使整流二极管截止时RL仍有电流流过。

在t2-t3期间,电压U2极性变为上负下正且大小逐渐增大,但电容C上的电压仍高于电压U2,VD1、VD3截止,电容C继续对RL放电。

在t3-t4期间,电压U2极性为上负下正且大小继续增大,电压U2开始大于电容C上的电压,VD2、VD4导通,电压U2通过VD2、VD4整流输出的电流又流过负载RL,并对电容C充电,在电容C上充得上正下负的电压。

在t4-t5期间,电压U2极性仍为上负下正但大小逐渐减小,电容C上的电压高于电压U2,VD2VD4截止,电容C又对RL放电,使RL仍有电流流过。

在t5-t6期间,电压U2极性变为上正下负且大小逐渐增大,但电容C上的电压仍高于电压U2,VD2、VD4截止,电容C继续对RL放电。

t6时刻以后,电路会重复0-t6过程,从而在负载RL两端(也是电容C两段)得到上图二所示的URL2电压。比较上图二中的电压URL1和URL2波形不难发现,增加了滤波电容后在负载上得到的电压大小波动较无滤波电容时要小得多。

电容使整流电路输出电压波动变小的功能称为滤波。电容滤波的实质是在输出电压高时通过充电将电能储存起来,而在输入电压较低时通过放电将电能释放出来,从而保证负载得到波动较小的电压。电容滤波与水缸蓄水相似,如果自来水功能紧张,白天不供水或供水量很少而晚上供水量很多时,为了保证一整天能正常用水,可以在晚上水多时一边用水一边用水缸蓄水(相当于给电容充电),而在白天水少或无水时水缸可以供水(相当于电容放电),这里的水缸就相当于电容,只不过水缸存水,而电容存储电能。

电容能使整流输出电压波动变下,电容的容量越大,其两端的电压波动越小,即电容容量越大,滤波效果越好。容量大和容量小的电容可相当于大水缸和小茶杯,大水缸蓄水多,在停水时可以供很长时间的用水;而小茶杯蓄水少,停水时供水时间短,还会造成用水时有时有有时无。

2、电感滤波电路

电感滤波电路是利用电感储能和放能原理工作的。电感滤波电路如下图所示。


在上图所示电路中,电感L滤波电感。220V甲流电压经变压器T1降压后,在L2上得到电压U2.电感滤波原理说明如下。

当电压U2极性为上正下负且逐渐增大时,VD1、VD3导通,有电流流过电感L和负载RL,电流途径是:L2上正->VD1->电感L->RL->VD3->L2下负,电流在流过电感L时,电感会产生左正右负的自感电动势阻碍电流,同时电感存储能量,由于电感自感电动势的阻碍,流过负载的电流缓慢增大。

当电压U2极性为上正下负且逐渐减小时,经整流二极管VD1、VD3流过电感L和负载RL的电流变小,电感L马上产生左负有正的自感电动势开始释放能量,电感L的左负右正电动势产生电流,电流的途径是:L右正->RL->VD3->L2->VD1->L左负,该电流与电压U2产生的电流一齐流过负载RL,使流过RL的电流不会因U2减小而变小。

当电压U2极性为上负下正时,VD2、VD4导通,电路工作原理与电压U2极性为上正下负时基本相同,这里不在叙述。

从上面的分析可知,当输入电压高使输入电流大时,电感产生电动势对电流进行阻碍,避免流过负载的电流过大;而当输入电压低使输入电流小时,电感又产生反电动势,反电动势产生的电流与变小的整流电流一起流过负载,避免流过负载的电流减小,这样就使得流过负载的电流大小波动较小。

电感滤波的效果与电感的电感量有关,电感量越大,流过负载的电流波动越小,滤波效果越好。

3.复合滤波电路

单独的电容滤波或电感滤波效果往往不理想,因此可将电容、电感和电阻组合起来构成复合滤波电路,复合滤波电路的滤波效果比较好。

(1)LC滤波电路

LC滤波电路由电感L和电容C构成,其电路结构如下图虚线框内部分所示。


整流电路输出的脉动直流电压先由电感L滤除大部分波动成分,少量的波动成分再由电容C进一步滤掉,供给负载的电压波动就很小。

LC滤波电路带负载能力很强,即使负载变化时,输出的电压也比较稳定。另外,电容接在电感之后,在刚接通电源时,电感会对突然流过的浪涌电流产生阻碍,从而减小浪涌电流对整流二极管的冲击。

(2)LC-π滤波电路

LC-π滤波电路由一个电感和两个电容接成π形构成,其电路结构如下图虚线框内部分所示。


整流电路输出的脉动直流电压依次经电容C1、电感L和电容C2滤波后,波动成分基本被滤掉,供给负载的电压波动很小。

LC-π滤波电路的滤波效果要好于LC滤波电路,但它带负载能力较差。电容C1接在电感之前,在刚接通电源时,变压器二次绕组通过整流二极管对C1充电的浪涌电流很大,为了缩短浪涌电流的持续时间,一般要求C1的容量小于C2的容量。

(3)RC-π滤波电路

RC-π滤波电路用电阻替代电感,并与电容接成π形。RC-π滤波电路如下图虚线框内部分所示。

整流电路输出的脉动直流电压经电容C1滤除部分波动成分后,在通过电阻R时,波动电压在R上会产生一定压降,从而使C2上的波动电压大大减小。R的组织越大,滤波效果越好。


RC-π滤波电路成本低,体积小,但电流在经过电阻时有电压降和损耗,会导致输出电压下降,所以这种滤波电路主要用在负载电流不大的电路中,另外要求R的阻值不能太大,一般为几十欧至几百欧,且满足R<<RL。