整流电路虽然可将交流电变成直流电,但其脉动成分较大,在一些要求直流电平滑的场合是不适用的,需加上滤波电路,以减小整流后直流电中的脉动成分。
一般直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示:
脉动系数(S)=
GS0712
例如,全波整流输出电压uL可用付氏级数展开为:
GS0713
其中基波最大值为0.6
U2,直流分量(平均值)为0.9
U2,故脉动系数
S≈0.67 。同理可求得半波整流输出电压的脉动系数为
S=1.57,可见其脉动系数是比较大的。一般电子设备所需直流电源的脉动系数小于0.01,故整流输出的电压必须采取一定的措施,一方面尽量降低输出电压中的脉动成分,另一方面尽量保存输出电压中的直流成分,使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。这一措施就是滤波。
最基本的滤波元件是电感、电容。其滤波原理是:利用这些电抗元件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用,使输出电压变得比较平滑;或从另一角度来看,电容、电感对交、直流成分反映出来的阻抗不同,把它们合理地安排在电路中,即可达到降低交流成分而保留直流成分的目的,体现出滤波作用。
常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。其中无源滤波的主要形式有电容滤波,电感滤波和复式滤波(包括倒L型
LC滤波,
π型
LC滤波和
π型
RC滤波等)。有源滤波的主要形式是有源
RC滤波。
电容滤波 半波整流电容滤波电路如图Z0710所示。其滤波原理如下:
电容
C并联于负载
RL的两端,
uL=
uC。在没有并入电容
C之前,整流二极管在
u2的正半周导通,负半周截止,输出电压
uL的波形如图中红线所示。并入电容之后,设在
ωt
=0时接通电源,则当
u2由零逐渐增大时,二极管D导通,除有一电流
iL流向负载以外还有一电流
iC向电容
C充电,充电电压
uC的极性为上正下负。如忽略二极管的内阻,则
uC 可充到接近
u2的峰值
u2m。在
u2 达到最大值以后开始下降,此时
电容器上的电压
uc也将由于放电而逐渐下降。当
u2<
uc时,D因反偏而截止,于是
C以一定的时间常数通过
RL 按指数规律放电,
uc下降。直到下一个正半周,当
u2 >
uc时,D又导通。如此下去,使输出电压的波形如图中蓝线所示。显然比未并电容
C前平滑多了。
全波或桥式整流电容滤波的原理与半波整波电容滤波基本相同,滤波波形如图Z0711 所示。
从以上分析可以看出:
1. 加了电容滤波之后,输出电压的直流成分提高了,而脉动成分降低了。这都是由于电容的储能作用造成的。电容在二极管导通时充电(储能),截止时放电(将能量释放给负载),不但使输出电压的平均值增大,而且使其变得比较平滑了。
2.电容的放电时间常数(
τ=RL
C)愈大,放电愈慢,输出电压愈高,脉动成分也愈少,即滤波效果愈好。故一般C取值较大,RL也要求较大。实际中常按下式来选取
C的值:
RL
C≥(3~5>T(半波) GS0714
RL
C≥(3~5)T/2(全波、桥式) GS0715
3.电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了,即导通角小于180°。而且,放电时间常数越大,导通角越小。因此,整流二极管流过的是一个很大的冲击电流,对管子的寿命不利,选择二极管时,必须留有较大余量。
4. 电容滤波电路的外特性(指
UL与
IL之间的关系)和脉动特性(指
S与
IL 之间的关系)比较差,如图Z0712 所示。可以看出输出电压
UL和脉动系数
S随着输出电流IL 的变化而变化。当
IL
=0(即
RL= ∞ )时,
UL =
U2(电容充电到最大值后不再放电),
S = 0。当
IL增大(即
RL减小)时,由于电容放电程度加快而使
UL下降,
UL 的变化范围在
U2 ~0.9
U2之间(指全波或桥式),
S变大。所以,电容滤波一般适用于负载电流变化不大的场合。
5.电容滤波电路输出电压的佑算。如果电容滤波电路的放电时间常数按式GS0714或GS0715 取值的话,则输出电压分别为:
UL=(0.9~1.0)
U2 (半波) GS0716
UL=(1.1~1.2)
U2 (全波) GS0717
电容滤波电路结构简单、使用方便、应用较广。