电源滤波电路工作原理的详细介绍
电源电路中的滤波电路主要有下列几种。
① 电容滤波电路,这是最常见的滤波电路。
② 电感滤波电路,这种滤波电路在电子电路中很少单独运用。
③ L 型滤波电路,这种滤波电路在电子电路中很少单独运用。
④π型 RC 滤波电路,这种滤波电路在电子电路中有着广泛运用, 它电路结构简单, 电路成本低。
⑤π型 LC 滤波电路, 这种滤波电路在电子电路中也有着较为广泛的运用, 由于使用了电感器,电路成本有所增加。
⑥ 电子滤波器电路, 这是一种滤波效果很好的滤波电路,在一些小电流滤波电路中有着广泛的运用。
一.电容滤波电路
1. 电容滤波电路工作原理理解方法之一
在电源电路的滤波电路中,通常滤波的“主力”元器件是电容器。分析电容滤波电路工作原理时,主要是用到了电容器的隔直通交特性和储能特性, 图 5 - 64 所示电路可以说明电容的滤波原理。
图 5 - 64 电容滤 波电路
图 5 - 64( a )所示电路是没有加入滤波电容时的整流电路, 交流电压 Ui 经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电,即电路中的 Uo。根据前面所介绍的波形分解原理可知,这一脉动性的直流电压可以分解为一个直流电压和一组频率不同的交流电,如图 5 - 64( b) 所示。图中, + V 是单向脉动性直流电压 Uo中的直流电压分量,交流成分是单向脉动性直流电压 Uo中的交流电压分量, 滤波电路的作用是将直流电压 + V 取出, 滤除交流分量。
图 5 - 64( c) 所示是加入滤波电路后的整流、滤波电路, 由于滤波电容 C1 对直流电压相当于开路,这样整流电路输出的直流电压 + V 不能通过 C1 到地, 只能加到负载 R1 上。对于整流电路输出的交流分量而言,因为 C1 容量很大,其容抗较小, 交流分量通过 C1 流到地端, 而不能加到负载 R1 ,见图电流 I1 所示。这样, 通过电容 C1 的滤波, 从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流压 + V。
滤波电容 C1 的容量愈大,对交流分量的容抗愈小, 使残留在负载 R1 上的交流分量愈小,滤波效果就愈好。
2. 电容滤波电路工作原理理解方法之二
利用电容器的充电、放电特性和储能特性, 也可以理解电源滤波电容的滤波原理, 用如图5 - 65 所示滤波电容充、放电原理示意图,可以说明滤波电容的工作原理。
图 5 - 65 滤波 电容充 、放 电原 理示意 图
图 5 - 65 滤波 电容充 、放 电原 理示意 图图中虚线所示是整流电路输出的单向脉动性直流电压, 当脉动性电压增大时, 对滤波电容进行充电, 使滤波电容上充到峰值电压。当脉动性电压从最大值开始减小时,电容开始向负载电阻放电, 见图中的放电曲线所示。由于滤波电容的容量很 大, 它 所存储的电能很多,加上放电缓慢, 所以还没有放电多少就有第二个单向脉动性电压来对滤波电容进行充电, 补充滤波电容中的电能。滤波电容不断地充电和放电, 得到比较平滑的直流电压, 即图中的实线所示 + V, 这就是滤波电路输出的直流工作电压。
图 5 - 66 负载 电阻 R1 不同 时直 流输出 电压 变化示 意图在整流电路输出的单向脉动性直流电压不变的情况下,负载电阻 R1 大时, 滤波电容对负载电阻 R1 的放电电流小, 滤波电容所放掉的电荷就少,所以滤波电路输出的直流电压就高,如图 5 - 66 所示。负载电阻 R1 小时, 滤波电容对负载电阻R1 的放电电流大, 滤波电容所放掉的电荷 就多,所以滤波电路输出的直流电压就低。
3. 识图小结
关于电容滤波电路的工作原理,还要说明下列几点。
① 滤波电容的容量通常比较大,并且往往是整机电路中容量最大的一只电容器。滤波电容器的容量大,滤波效果就好。
② 电容滤波电路是各种电源滤波电路中最常用的一种电路, 必须理解其滤波原理, 掌握电容滤波电路的分析方法。
二. 电感滤波电路原理
1. 电路分析
图 5 - 67 所示是电感滤波电路。L1 是滤波电感, R1 是滤波电路的负载电阻。 Ui 是整流电路输出的脉动性直流电压,也是滤波电路的输入电压; Uo是经过滤波电路滤波后的直流输出电压。这一电路的工作原理是这样:将输入的单向脉动性电压 Ui分解成直流分量和交流分量两个部分, 根据电感器的感抗特性可知,对于直流分量而言,L1 的感抗为零, 并且电感器 L1 的直流电阻很小,这样输入电压 Ui 中的直流分量通过 L1 , 加到负载电阻 R1 上。对于输入电压 Ui 中交流分量而言,L1 的感抗很大, 这样在 L1 上产生很大的交流压降, 加图 5 - 67 电感 滤波 电路到负载电阻 R1 上的交流压降就很小。只要 L1 的电感量足够地大 (滤波电感器的电感量通常比较大 ) , 它对交流分量的感抗就很大,达到滤波的目的。
关于电感滤波电路的工作原理,还要说明下列几点。
① 分析电感滤波电路时, 将输入的单向脉动性电压Ui分解成直流分量和交流分量两个部分, 这是一个理解电路工作原理的好方法。作为滤波电感器 L1 ,要求它的电感量比较大, 这样才能有良好的滤波效果。
② 单独的电感滤波电路用得比较少, 滤波电感主要与滤波电容联合起来使用, 构成π型LC 滤波电路。
三. π型 RC 滤波电路
1. 单节π型 RC 滤波电路
图 5 - 68 所示是π型 RC 滤波电路。电路中, C1 和 C2 是两只滤波电容, R1 是滤波电阻,C1、R1 和 C2 构成一节π型的 RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同字母π并采用了电阻、电容, 所以称为π型 RC 滤波电路。
这一滤波电路的工作原理是这样:从整流电路输出的单向脉动性直流电压首先经过电容图 5 - 68 π型 RC 滤 波电 路C1 的滤波, 将大部分的交流分量滤除, C1 对直流电压而言相当于开路。经过电容 C1 滤波后的直流电压, 加到由 R1 和 C2 构成的 L 型滤波电路中(R1 和 C2 构成一个 L 型电路, 所以称为 L 型滤波电路)。电阻 R1 和电容 C2 的 容抗构成 一个分压 电路,因为 C2 的容抗很小, 所以对交流分量的分压衰减量很大, 这样交流分量通过 C2 流到地端, 达到滤波目的。对于直流电而言, 由于 C2 具有隔直作用,所以 R1 和 C2 分压电路对直流不存在分压衰减的作用,这样直流电压通过 R1 输出。C1 是第一只滤波电容,加大它的容量可以提高滤波效果, 但是 C1 的容量太大后, 在开机时对 C1 的充电时间很长, 这一充电电流是流过整流二极管的,当充电电流太大、持续时间太长时,会损坏整流二极管, 所以采用这种π型 RC 滤波电路时, 可以使 C1 容量略有减小, 通过 R1和 C2 来进一步提高滤波效果。在这种滤波电路中,如果 R1 阻值大小不变, 加大滤波电容 C2 的容量, 可以提高滤波效果;在 C2 容量大小不变时,加大 R1 的阻值也可以提高滤波效果。但是, 滤波电阻 R1 的阻值不能太大,因为流过负载的直流电流要流过 R1 ,见图中电流 I 所示,要在 R1 上产生直流电压降 UR ,使直流输出电压 Uo减小。R1 的阻值愈大,或流过负载的电流愈大时, 在 R1 上的电压降愈大,使直流输出电压 Uo愈低。
2. 多节π型 RC 滤波电路图 5 - 69 所示是多节π型 RC 滤波电路。电路中, C1、R1 和 C2 构成一节 π型 RC 滤波电路, C2、R2 和 C3 构成另一节π型 RC 滤波电路。这一电路的滤波原理同前面的单节π型 RC 滤波电路一样。
3. 识图小结
关于这一滤波电路的工作原理,还要说明下列几点。
① 这种多节π型 RC 滤波电路是整机电路中出现得最多的滤波电路, 两节电路不是最多的,可以有更多节这样的滤波电路。
② 分析这种滤波电路要知道这样几个结论: 愈是前节输出的直流电压愈高, 当然其中的交流分量就愈多;愈是前节电路中的直流电流愈大, 滤波电阻上的压降愈大; 愈是前节的滤波电容其容量愈大。
四. π型 LC 滤波电路
1. 电路分析
图 5 - 70 所示是π型 LC 滤波电路。这种π型 LC 滤波电路与π型 RC 滤波电路基本相同,只是将电路中的滤波电阻换成滤波电感,因为滤波电阻对直流电和交流电存在相同的电阻, 而滤波电感对交流电感抗大,对直流电的电阻小, 这样既能提高滤波效果, 又不会降低直流输出电压。
图 5 - 70 π型 LC 滤波 电路这一电路的工作原理是这样:整流电路输出的单向脉动性直流电压先经过电容 C1 滤波,去掉大部分交流分量,然后再加到 L1 和 C2 滤波电路中。对于交流分量而言,L1 的感抗很大,这样在 L1 上的交流电压降就大, 加到负载电阻 R1 上的交流分量就小; 对直流电而言,由于 L1 没有感抗, 同时滤波电感采用的线径较粗, 其直流电阻很小,这样对直流电压基本上没有电压降, 所以直流输出电压比较高, 这是采用电感滤波器的最大优点。
2. 识图小结关于这一滤波电路的工作原理,还要说明下列几点。
① 整机电路中,π型 LC 滤波电路的应用没有π型 RC 滤波电路多,因为电感 L 成本高。
② π型 LC 滤波电路也可以是多节的, 电路工作原理与多节的π型 RC 滤波电路一样。
③ 分析滤波电容工作原理时,主要用电容器的隔直通交特性, 或是充电与放电特性,即整流电路输出单向脉动性直流电压时,对滤波电容充电, 当没有单向脉动性直流电压输出时, 滤波电容对负载放电。
④ 分析滤波电感工作原理时,主要是知道电感器对直流电的电阻很小、无感抗作用,而对交流电存在感抗。
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