各种常见电源滤波电路分析

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各种电源滤波电路解析

　　在整流电路输出的电压是单向脉动性电压，不能直接给电子电路使用。所以要对输出的电压进行滤波， 消除电压中的交流成分，成为直流电后给电子电路使用。在滤波电路中，主要使用对交流电有特殊阻抗特性 的器件，如：电容器、电感器。本文对其各种形式的滤波电路进行分析。
　　一、滤波电路种类
　　滤波电路主要有下列几种：电容滤波电路，这是最 基本的滤波电路；π 型 RC 滤波电路；π 型 LC 滤波电 路；电子滤波器电路。
0 ]1 O" J7 K+ |　　二、滤波原理
　　1. 单向脉动性直流电压的特点
　　如图 1（a）所示。是单向脉动性直流电压波形，从 图中可以看出，电压的方向性无论在何时都是一致的， 但在电压幅度上是波动的，就是在时间轴上，电压呈现 出周期性的变化，所以是脉动性的。
5 ?" M+ U$ [3 o/ U+ f& |! h( S" J　　但根据波形分解原理可知，这一电压可以分解一 个直流电压和一组频率不同的交流电压，如图 1（b）所 示。在图 1（b）中，虚线部分是单向脉动性直流电压 U。 中的直流成分，实线部分是 UO 中的交流成分。

　　2. 电容滤波原理
　　根据以上的分析，由于单向脉动性直流电压可分 解成交流和直流两部分。在电源电路的滤波电路中，利 用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性，或者利用 电感“隔交通直”的特性可以滤除电压中的交流成分。 图 2 所示是电容滤波原理图。
　　图 2（a）为整流电路的输出电路。交流电压经整流 电路之后输出的是单向脉动性直流电，即电路中的 UO。
& @$ V6 U5 k6 w; J9 [% V　　图 2（b）为电容滤波电路。由于电容 C1 对直流电 相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C1 到地，只有加 到负载 RL 图为 RL 上。对于整流电路 输出的交流成分， 因 C1 容量较大， 容抗较小，交流成 分通过 C1 流到地 端，而不能加到负 载 RL。这样，通过 电容 C1 的滤波， 从单向脉动性直 流电中取出了所 需要的直流电压 +U。

3 a2 H( _- o' h3 o- g　　滤波电容 C1 的容量越大，对交流成分的容抗越 小，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就越好。
　　3. 电感滤波原理
　　图 3 所示是电感滤波原理图。由于电感 L1 对直流 电相当于通路，这样整流电路输出的直流电压直接加 到负载 RL 上。

5 E5 E  e$ x0 v7 a' b0 ]+ f) B; X  H　　对于整流电路输出的交流成分，因 L1 电感量较大，感抗较大，对交流成分产生很大的阻碍作用，阻止 了交流电通过 C1 流到加到负载 RL。这样，通过电感 L1 的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直 流电压 +U。
　　滤波电感 L1 的电感量越大，对交流成分的感抗越 大，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就 越好，但直流电阻也会增大。
　　三、π 型 RC滤波电路识图方法
3 Z" M  ]7 o  q: O" K　　图 4 所示是 π 型 RC 滤波电路。电路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只滤波电容，R1 和 R2 是滤波电阻，C1、R1 和C2 构成第一节 π 型的 RC 滤波电路， C2、 R2 和 C3 构成 第二节 π 型 RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式 如同希腊字母 π 和采用了电阻器、电容器，所以称为 π 型 RC 滤波电路。

) K! e" S  ~- d* @! [3 \　　π 型 RC 滤波电路原理如下：
0 z9 B2 V% d6 G4 B' g; w( s　　（1）这一电路的滤波原理是：从整流电路输出的电 压首先经过 C1 的滤波，将大部分的交流成分滤除，然 后再加到由 R1 和 C2 构成的滤波电路中。C2 的容抗与 R1 构成一个分压电路，因 C2 的容抗很小，所以对交流 成分的分压衰减量很大，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。
　　（2）在 R1 大小不变时，加大 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，在 R1 上会产生直流 压降，使直流输出电压 Uo2 减小。R1 的阻值越大，或流 过负载的电流越大时，在 R1 上的压降越大，使直流输 出电压越低。
4 [) \  m1 ~+ }& u0 Q, @1 t0 ?　　（3） C1 是第一节滤波电容，加大容量可以提高滤 波效果。但是 C1 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、时间太长时，会损坏整流二极管。所以采用这种 π 型 RC 滤波电路可以使 C1 容量较小，通过合理设计 R1 和 C2 的值来进一步提高滤波效果。
　　（4）这一滤波电路中共有 3 个直流电压输出端，分 别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中， Uo1 只经过电 容 C1 滤波； Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波，所 以滤波效果更好， Uo2 中的交流成分更小； Uo3 则经过了 2 节滤波电路的滤波，滤波效果最好，所以 Uo3 中的交 流成分最少。
　　（5） 3 个直流输出电压的大小是不同的。 Uo1 电压最 高，一般这一电压直接加到功率放大器电路，或加到需 要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中； Uo2 电 压稍低，这是因为电阻 R1 对直流电压存在电压降； Uo3 电压最低，这一电压一般供给前级电路作为直流工作 电压，因为前级电路的直流工作电压比较低，且要求直 流工作电压中的交流成分少。
　　四、π型 LC滤波电路识图方法
$ k5 F, m8 o2 {* p' g% c. f# s$ P　　图 5 所示是 π 型 LC 滤波电路。π 型 LC 滤波电 路与 π 型 RC 滤波电路基本相同。这一电路只是将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。
# k% U4 K& \* \# U; S  Y0 x0 m! b0 J　　在图 5 的电路中，整流电路输出的单向脉动性直 流电压先经电容 C1 滤波，去掉大部分交流成分，然后 再加到 L1 和 C2 滤波电路中。

6 U, o6 L0 Q% N" k　　对于交流成分而言， L1 对它的感抗很大，这样在 L1 上的交流电压降 大，加到负载上的交 流成分小。
　　对直流电而言， 由于 L1 不呈现感抗， 相当于通路，同时滤 波电感采用的线径较粗，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 采用电感滤波器的主要优点。
　　五、电子滤波器识图方法
0 B# w0 ]* }8 Y- O4 }( p! _" @9 i　　1. 电子滤波器
　　图 6 所示是电子滤波器。电路中的 VT1 是三极管， 起到滤波管作用， C1 是 VT1 的基极滤波电容， R1 是 VT1 的基极偏置电阻， RL 是这一滤波电路的负载， C2 是输出电压的滤波电容。

　　电子滤波电路工作原理如下：
　　①电路中的 VT1、 R1、 C1 组成电 子滤波器电路，这 一电路相当于一 只容量为 C1×β1 大小电容器，β1 为 VT1 的电流放 大倍数，而晶体管 的电流放大倍数 比较大，所以等效 电容量很大，可见 电子滤波器的滤 波性能是很好的。等效电路如图 6（b）所示。图中 C 为 等效电容。
　　②电路中的 R1 和 C1 构成一节 RC 滤波电路， R1 一方面为 VT1 提供基极偏置电流，同时也是滤波电阻。 由于流过 R1 的电流是 VT1 的基极偏置电流，这一电流 很小， R1 的阻值可以取得比较大，这样 R1 和 C1 的滤 波效果就很好，使 VT1 基极上直流电压中的交流成分 很少。由于发射极电压具有跟随基极电压的特性，这样 VT1 发射极输出电压中交流成分也很少，达到滤波的 目的。
& h0 ^. V* m' A( r) v( a" T# y( e　　③在电子滤波器中，滤波主要是靠 R1 和 C1 实现 的，这也是 RC 滤波电路，但与前面介绍的 RC 滤波电路是不同的。在这一电路中流过负载的直流电流是 VT1 的发射极电流，流过滤波电阻 R1 的电流是 VT1 基极电 流，基极电流很小，所以可以使滤波电阻 R1 的阻值 设得很大（滤波效果好），但不会使直流输出电压下降 很多。
　　④电路中的 R1 的阻值大小决定了 VT1 的基极电 流大小，从而决定了 VT1 集电极与发射极之间的管压 降，也就决定了 VT1 发射极输出直流电压大小，所以改 变 R1 的大小，可以调整直流输出电压 +V 的大小。
2 v7 ^, v) ~5 j  K" O' r: n, ]3 `　　2. 电子稳压滤波器

% k2 O) K) [5 i  Y2 g( H0 _　　图 7 所示是另一种电子稳压滤波器，与前一种电 路相比，在 VT1 基极与地端之间接入了稳压二极管 VD1。电子稳压原理如下：
　　在 VT1 基极 与地端之间接入 了稳压二 极 管 VD1 后，输入电 压经 R1 使稳压 二极管 VD1 处于 反向偏置状态，此时 VD1 的稳压特性使 VT1 管的基极 电压稳定，这样 VT1 发射极输出的直流电压也比较稳 定。注意：这一电压的稳定特性是由于 VD1 的稳压特性 决定的，与电子滤波器电路本身没有关系。
( b" [! D. r6 ^% d$ v$ k　　R1 同时还是 VD1 的限流保护电阻。在加入稳压二 极管 VD1 后，改变 R1 的大小不能改变 VT1 发射极输出电压大小，由于 VT1 的发射结存在 PN 结电压降，所以 发射极输出电压比 VD1 的稳压值略小。
　　C1、 R1 与 VT1 同样组成电子滤波器电路，起到滤 波作用。
2 i$ J3 Y4 {# I- _　　在有些场合下，为了进一步提高滤波效果，可采用 双管电子滤波器电路， 2 只电子滤波管构成了复合管 电路。这样总的电流放大倍数为各管电流放大倍数之 积，显然可以提高滤波效果。
: c0 W3 Z. h. j0 _( ^　　六、电源滤波电路识图小结
( k/ J: [2 \, e6 y3 h- T　　关于电源滤波电路分析主要注意以下几点：
　　（1）分析滤波电容工作原理时，主要利用电容器的 “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。
5 Q6 b9 n7 M$ {0 m　　（2）分析滤波电感工作原理时， 主要是认识电感器对 直流电的电阻很小、 无感抗作用， 而对交流电存在感抗。
　　（3）进行电子滤波器电路分析时，要知道电子滤波 管基极上的电容是滤波的关键元件。另外，要进行直流 电路的分析，电子滤波管有基极电流和集电极、发射极 电流，流过负载的电流是电子滤波管的发射极电流，改 变基极电流大小可以调节电子滤波管集电极与发射极 之间的管压降，从而改变电子滤波器输出的直流电压 大小。
　　（4）电子滤波器本身没有稳压功能，但加入稳压二 极管之后可以使输出的直流电压比较稳定。

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