濾波電路在直流穩(wěn)壓電路中的應(yīng)用

郭美莉++王芳

摘 要 隨著電子電氣技術(shù)的不斷發(fā)展，電子電氣設(shè)備也已經(jīng)變得越來(lái)越普遍，成為生活中必不可少的部分。對(duì)于各種用電設(shè)備而言，直流穩(wěn)壓電路幾乎都是不可缺少的基礎(chǔ)，為設(shè)備提供著必須的能量支持。作為直流穩(wěn)壓電路的重要組成部分，濾波電路能夠有效改善輸出電壓周期性變化的程度。電容濾波及電感濾波是最常見的整流濾波電路，電容濾波電路將電容與負(fù)載電阻并聯(lián)，通過(guò)電容電壓不能突變的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載充電；電感濾波電路將電感與負(fù)載電阻串聯(lián)，通過(guò)電感電流不能突變的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載充電。

【關(guān)鍵詞】直流穩(wěn)壓電路 濾波電路 電容濾波 電感濾波

電子設(shè)備的出現(xiàn)為現(xiàn)代生活帶來(lái)了極大的便利，人們?cè)谏钪刑幪庪x不開它的存在，電子設(shè)備的使用需要有能源供應(yīng)，這就要求有一個(gè)穩(wěn)定的電路來(lái)提供?，F(xiàn)代社會(huì)中的各種電子設(shè)備都需要在電源電路提供穩(wěn)定能源的情況下工作。當(dāng)然因?yàn)殡娮釉O(shè)備的不同所設(shè)計(jì)的電源電路也存在著不同的樣式與復(fù)雜程度。比如說(shuō)超級(jí)計(jì)算機(jī)就有一套復(fù)雜的電源電路系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)電源電路的能源供應(yīng)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的各種功能才能持續(xù)穩(wěn)定的工作；便攜式計(jì)算機(jī)的電源電路則相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)電池電路即可解決。由此可以看出電子設(shè)備工作的基礎(chǔ)就是電源電路的設(shè)計(jì)制作，電源電路不符合要求電子設(shè)備就不能正常工作。持續(xù)穩(wěn)定、滿足負(fù)載需求是電源電路最基本的要求，直流穩(wěn)壓電路作為電源電路中最基本的電路在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。

直流穩(wěn)壓電路可以有多種實(shí)現(xiàn)形式，一般是由交流電源、變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路幾部分組成。其中，濾波電路能夠最大限度的減少直流電壓中交流成分的脈動(dòng)過(guò)程，使得輸出電壓紋波更小，電壓更穩(wěn)定。

1 濾波電路的概念及分類

濾波電路就是利用電抗性元件的特性，對(duì)交流、直流阻抗的不同將直流輸出電壓中的交流脈動(dòng)成分過(guò)濾掉后得到穩(wěn)定的直流電壓。電容濾波和電感濾波是最常用的濾波電路。

電容濾波電路是指在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)濾波電容C的電路。電容器C具有對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小的特性，且電壓不能突變，所以只能并聯(lián)在電路中。直流電流從負(fù)載流過(guò)，交流電流則從電容流過(guò)，從而達(dá)到濾波的目的。由于電容的儲(chǔ)能作用，使得輸出波形比較平滑。電容放電的時(shí)間τ=RLC越大，放電過(guò)程越慢，輸出電壓中脈動(dòng)成分越少，濾波效果越好，輸出的電壓也更加平穩(wěn)。

電感濾波電路是利用電感器L的特性阻止脈動(dòng)的交流而通過(guò)穩(wěn)定的直流來(lái)進(jìn)行濾波，在電路中將電感L和負(fù)載R串聯(lián)在一起即可。實(shí)質(zhì)是電感L具有對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大的特性，所以要與負(fù)載串聯(lián)使用。通過(guò)濾波電路后，電路中的直流分量被保留下來(lái)，交流分量被過(guò)濾掉，這樣就改變了交直流成分在電路中的存在比例，降低了電路輸出的紋波系數(shù)，得到了穩(wěn)定的直流電壓。從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，電感器L是一種儲(chǔ)能元件，當(dāng)電路中的電流增大時(shí)就把這部分增大的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，待電流減小時(shí)再將其釋放出來(lái)，這樣使得負(fù)載得到一個(gè)平滑穩(wěn)定的電流。但是電感濾波電路也有它的缺點(diǎn)，由于其存在鐵心，因此就顯得體積較大，同時(shí)容易引起電磁干擾，所以一般只應(yīng)用于低電壓、大電流的環(huán)境。

2 帶電容濾波的直流穩(wěn)壓電路

2.1 電容濾波的工作原理

帶電容濾波的直流穩(wěn)壓電路如圖1所示。工作原理如下：當(dāng)在U2的正半周時(shí)，導(dǎo)通D1和D3二極管，電路中二極管的正向壓降忽略，這時(shí)Uo=U2，輸出電壓Uo一方面給電容C充電，另一方面施加在負(fù)載R上，當(dāng)U2達(dá)到峰值后，開始下降，當(dāng)U2小于電容電壓時(shí)，二極管D1和D3截止；隨后，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)R放電，電容上的電壓下降；當(dāng)在U2的負(fù)半周時(shí)，導(dǎo)通D2和D3二極管，電路中二極管的正向壓降忽略，此時(shí)Uo=U2，這個(gè)電壓一方面給電容C充電，另一方面施加在負(fù)載R上，當(dāng)U2達(dá)到峰值后，開始下降，當(dāng)U2小于電容電壓時(shí)，二極管D2和D4截止；隨后，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)R放電，電容C上的電壓下降。經(jīng)過(guò)電容的不斷充放電，輸出電壓的脈動(dòng)就得到降低，電壓平均值也有所提高。

2.2 濾波電容的選取

濾波電容選取直接關(guān)系著直流穩(wěn)壓電路輸出波形的優(yōu)劣，如果濾波電容選取合適，則輸出電壓的脈動(dòng)程度就會(huì)大大減小，反之，則輸出電壓無(wú)法達(dá)到電路要求。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，濾波電容的選取一般遵循以下原則。當(dāng)電容值在10pF左右，能夠用來(lái)消除高頻的干擾信號(hào)，當(dāng)電容值在0.1uF左右，能夠有效消除低頻的紋波干擾，同時(shí)對(duì)于還具有很好的穩(wěn)壓效果；當(dāng)然，在選取濾波電容時(shí)還取決于所涉及PCB上的主要工作頻率和可能對(duì)系統(tǒng)造成影響的諧波頻率，當(dāng)PCB的主工作頻率較低時(shí)，可以設(shè)置兩個(gè)電容，其中，一個(gè)用來(lái)濾除紋波，另一個(gè)用來(lái)濾除高頻信號(hào)。如果電路中有比較大的瞬時(shí)電流流通時(shí)，一般會(huì)多加一個(gè)電容值比較大的鉭電容。

2.3 利用電容濾波存在的問題

（1）一般來(lái)說(shuō)，濾波電容都是電解電容，電容值都比較大，在使用過(guò)程中，需要特別注意電容的正負(fù)極性連接問題，保證正極性接在電位較高的點(diǎn)，負(fù)極性接在電位較低的點(diǎn)，假若極性接錯(cuò)，容易導(dǎo)致電容擊穿或爆裂。

（2）初始時(shí)刻，電容兩端所加電壓為0，通電后，經(jīng)過(guò)整流二極管，達(dá)到電源給電容充電的效果。在電源接通的時(shí)刻，二極管中流過(guò)的電流一般能夠達(dá)到額定工作電流的5-7倍，稱之為短路電流，所以在選擇二極管時(shí)，應(yīng)考慮一個(gè)較大的裕量。

3 帶電感濾波的直流穩(wěn)壓電路

帶電感濾波的直流穩(wěn)壓電路如圖2所示。工作原理如下：當(dāng)U2處于正半波時(shí)， D1和D3上所加為正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)二極管阻值幾乎為0，可以忽略二極管正向壓降，則有Uo=0.9U2，該電源一部分給電感L充電，另一部分施加于負(fù)載R兩端，當(dāng)U2達(dá)到峰值后，開始下降，當(dāng)U2小于電感電壓時(shí)，二極管D1和D3截止；隨后，電感L經(jīng)R放電， 電感上的電壓逐漸減??；當(dāng)在U2處于負(fù)半波時(shí)，D2和D4上所加為正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)這兩個(gè)二極管的阻值非常小，所以能夠忽略二極管正向壓降，此時(shí)電源電壓一部分送給電感L充電，另一部分加在負(fù)載R兩端，直到U2到達(dá)峰值，隨后開始下降，當(dāng)U2小于電感電壓時(shí)，二極管D2和D4截止；隨后，電感經(jīng)負(fù)載R放電， 電感兩端的電壓逐漸下降。正是因?yàn)殡姼羞@種不斷的充放電過(guò)程，才使輸出電壓波動(dòng)性大大降低，獲得波形十分平緩的輸出波。

由于電感的直流電阻小，交流阻抗比較大，所以當(dāng)電流中的直流分量流過(guò)電感線圈時(shí)，能量損失特別小，但是，對(duì)于電流中的交流分量則剛好相反，其中較大的那部分都是降落在電感上，所以能夠有效降低輸出電壓中波動(dòng)的部分。電感的值越大，那么濾波的效果也就越好，因而電感適用于負(fù)載電流變化較大的電路。此外，將電感濾波應(yīng)用于濾波電路中，能夠有效的延長(zhǎng)整流管導(dǎo)通角，避免了沖擊電流過(guò)大的問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)電容濾波電路、電感濾波電路進(jìn)行的分析，能夠了解，在電子電氣設(shè)備的直流電源整流濾波電路中，對(duì)于濾波電容C來(lái)說(shuō)，它的選定具有一定的依據(jù)性，一般情況下根據(jù)直流輸出電壓，負(fù)載R的大小以及對(duì)紋波電壓的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)選?。粚?duì)于濾波電感L來(lái)說(shuō)，電感主要是通過(guò)限制電流變化，從而穩(wěn)定輸出電壓。在選取濾波電路過(guò)程中，負(fù)載電流及沖擊較大的電路中選用電感濾波，電感越大，濾波效果越好。

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作者簡(jiǎn)介

郭美莉（1964-），女，湖南省湘潭市人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)镋DA技術(shù)與應(yīng)用，信號(hào)處理，檢測(cè)技術(shù)。

作者單位

湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省湘潭市 411101