電源濾波電路淺析
發(fā)布時(shí)間:2019-04-16 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】整流電路的輸出電壓不是純粹的直流,從示波器觀察整流電路的輸出,與直流相差很大,波形中含有較大的脈動(dòng)成分,稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓,需要利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件(如電容、電感)組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓。
電源濾波電路
整流電路的輸出電壓不是純粹的直流,從示波器觀察整流電路的輸出,與直流相差很大,波形中含有較大的脈動(dòng)成分,稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓,需要利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件(如電容、電感)組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓。
常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。 有源濾波的主要形式是有源RC濾波,也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來表示,此值越大,則濾波器的濾波效果越差。
脈動(dòng)系數(shù)(S)=輸出電壓交流分量的基波最大值/輸出電壓的直流分量
半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S=1.57,全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S≈O.67。對(duì)于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后,其脈動(dòng)系數(shù)S=1/(4(RLC/T-1)。(T為整流輸出的直流脈動(dòng)電壓的周期。)
電阻濾波電路
RC-π型濾波電路,實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級(jí)RC濾波電路組成的。如圖1(B)RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動(dòng)系數(shù),則輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數(shù)S=(1/ωC2R)S。
由 分析可知,電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端,最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下,R愈大,C2愈大,則脈動(dòng)系數(shù)愈小,也就是濾波效果 就越好。而R值增大時(shí),電阻上的直流壓降會(huì)增大,這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗;若增大C2的電容量,又會(huì)增大電容器的體積和重量,實(shí)現(xiàn)起來也不現(xiàn)實(shí)。 這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場(chǎng)合.
電感濾波電路
根據(jù)電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同,由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖1所示。因?yàn)殡娙萜鰿對(duì)直流開路,對(duì)交流阻抗小,所以C并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小,對(duì)交流阻抗大,因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。
(A)電容濾波(B)C-R-C或RC-π型電阻濾波脈動(dòng)系數(shù)S=(1/ωC2R'')S''
(C)L-C電感濾波(D)π型濾波或叫C-L-C濾波
圖1無源濾波電路的基本形式
并 聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時(shí),給電容器充電,可把部分能量存儲(chǔ)在電容器中。而當(dāng)輸入電壓降低時(shí),電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電,就可以把存儲(chǔ)的能量釋放出 來。經(jīng)過濾波電路向負(fù)載放電,負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑,起到了平波作用。若采用電感濾波,當(dāng)輸入電壓增高時(shí),與負(fù)載串聯(lián)的電感L中的電流增加,因 此電感L將存儲(chǔ)部分磁場(chǎng)能量,當(dāng)電流減小時(shí),又將能量釋放出來,使負(fù)載電流變得平滑,因此,電感L也有平波作用。
利用儲(chǔ)能元件電感器L的電流不能突變的特點(diǎn),在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)一個(gè)電感,使輸出電流波形較為平滑。因?yàn)殡姼袑?duì)直流的阻抗小,交流的阻抗大,因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點(diǎn)是體積大,成本高.
橋式整流電感濾波電路如圖2所示。電感濾波的波形圖如圖2所示。根據(jù)電感的特點(diǎn),當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時(shí),L中將感應(yīng)出一個(gè)反電勢(shì),使整流管的導(dǎo)電角增大,其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。
圖2電感濾波電路
在 橋式整流電路中,當(dāng)u2正半周時(shí),D1、D3導(dǎo)電,電感中的電流將滯后u2不到90°。當(dāng)u2超過90°后開始下降,電感上的反電勢(shì)有助于D1、D3繼續(xù) 導(dǎo)電。當(dāng)u2處于負(fù)半周時(shí),D2、D4導(dǎo)電,變壓器副邊電壓全部加到D1、D3兩端,致使D1、D3反偏而截止,此時(shí),電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提 供。由于橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性,四個(gè)二極管D1、D3;D2、D4的導(dǎo)電角θ都是180°,這一點(diǎn)與電容濾波電路不同。
圖3電感濾波電路波形圖
已知橋式整流電路二極管的導(dǎo)通角是180°,整流輸出電壓是半個(gè)半個(gè)正弦波,其平均值約為。電感濾波電路,二極管的導(dǎo)通角也是180°,當(dāng)忽略電感器L的電阻時(shí),負(fù)載上輸出的電壓平均值也是。如果考慮濾波電感的直流電阻R,則電感濾波電路輸出的電壓平均值為
要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大,即RL不能太大,應(yīng)滿足wL>>RL,此時(shí)IO(AV)可用下式計(jì)算
由于電感的直流電阻小,交流阻抗很大,因此直流分量經(jīng)過電感后的損失很小,但是對(duì)于交流分量,在wL和上分壓后,很大一部分交流分量降落在電感上,因而降低 了輸出電壓中的脈動(dòng)成分。電感L愈大,RL愈小,則濾波效果愈好,所以電感濾波適用于負(fù)載電流比較大且變化比較大的場(chǎng)合。采用電感濾波以后,延長(zhǎng)了整流管 的導(dǎo)電角,從而避免了過大的沖擊電流。
電容濾波原理詳解
1.空載時(shí)的情況
當(dāng)電路采用電容濾波,輸出端空載,如圖4(a)所示,設(shè)初始時(shí)電容電壓uC為零。接入電源后,當(dāng)u2在正半周時(shí),通過D1、D3向電容器C充電;當(dāng)在u2的負(fù)半周時(shí),通過D2、D4向電容器C充電,充電時(shí)間常數(shù)為
(a)電路圖(b)波形圖
圖4空載時(shí)橋式整流電容濾波電路
式 中包括變壓器副邊繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮琛S捎谝话愫苄?,電容器很快就充到交流電壓u2的最大值,如波形圖2(b)的時(shí)刻。此后,u2開始 下降,由于電路輸出端沒接負(fù)載,電容器沒有放電回路,所以電容電壓值uC不變,此時(shí),uC>u2,二極管兩端承受反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài),電路的輸出電 壓,電路輸出維持一個(gè)恒定值。實(shí)際上電路總要帶一定的負(fù)載,有負(fù)載的情況如下。
2.帶載時(shí)的情況
圖5給出了電容濾波電路在帶電阻 負(fù)載后的工作情況。接通交流電源后,二極管導(dǎo)通,整流電源同時(shí)向電容充電和向負(fù)載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在時(shí)刻,即達(dá)到u290°峰值 時(shí),u2開始以正弦規(guī)律下降,此時(shí)二極管是否關(guān)斷,取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。
先設(shè)達(dá)到90°后,二極管關(guān)斷,那么只有濾波電容 以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電,從而維持一定的負(fù)載電流。但是90°后指數(shù)規(guī)律下降的速率快,而正弦波下降的速率小,所以超過90°以后有一段時(shí)間二極管仍然承受 正向電壓,二極管導(dǎo)通。隨著u2的下降,正弦波的下降速率越來越快,uC的下降速率越來越慢。
所以在超過90°后的某一點(diǎn),例如圖5(b)中的t2時(shí)刻, 二極管開始承受反向電壓,二極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負(fù)載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流,直至下一個(gè)半周的正弦波來到,u2再次超過uC,如圖 5(b)中的t3時(shí)刻,二極管重又導(dǎo)電。
以上過程電容器的放電時(shí)間常數(shù)為
電容濾波一般負(fù)載電流較小,可以滿足td較大的條件,所以輸出電壓波形的放電段比較平緩,紋波較小,輸出脈動(dòng)系數(shù)S小,輸出平均電壓UO(AV)大,具有較好的濾波特性。
(a)電路圖(b)波形圖
圖5帶載時(shí)橋式整流濾波電路
以 上濾波電路都有一個(gè)共性,那就是需要很大的電容容量才能滿足要求,這樣一來大容量電容在加電瞬間很有很大的短路電流,這個(gè)電流對(duì)整流二極管,變壓器沖擊很 大,所以現(xiàn)在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC熱敏電阻來維持平衡,因NTC熱敏電阻在常溫下電阻很大,加電后隨著溫度升高,電阻阻值迅速減小,這 個(gè)電路叫軟起動(dòng)電路。這種電路缺點(diǎn)是:斷電后,在熱時(shí)間常數(shù)內(nèi),NTC熱敏電阻沒有恢復(fù)到零功率電阻值,所以不宜頻繁的開啟。
為什么整流后加上濾波電容在不帶負(fù)載時(shí)電壓為何升高?這是因?yàn)榧由蠟V波測(cè)得的電壓是含有脈動(dòng)成分的峰值電壓,加上負(fù)載后就是平均值,計(jì)算:峰值電壓=1.414×理論輸出電壓
有源濾波-電子電路濾波
電 阻濾波本身有很多矛盾,電感濾波成本又高,故一般線路常采用有源濾波電路,電路如圖6。它是由C1、R、C2組成的π型RC濾波電路與有源器件晶體管T組 成的射極輸出器連接而成的電路。由圖6可知,流過R的電流IR=IE/(1+β)=IRL/(1+β)。流過電阻R的電流僅為負(fù)載電流的1/(1+β). 所以可以采用較大的R,與C2配合以獲得較好的濾波效果,以使C2兩端的電壓的脈動(dòng)成分減小,輸出電壓和C2兩端的電壓基本相等,因此輸出電壓的脈動(dòng)成分 也得到了削減。
從RL負(fù)載電阻兩端看,基極回路的濾波元件R、C2折合到射極回路,相當(dāng)于R減小了(1+β)倍,而C2增大了(1+β) 倍。這樣所需的電容C2只是一般RCπ型濾波器所需電容的1/β,比如晶體管的直流放大系數(shù)β=50,如果用一般RCπ型濾波器所需電容容量為 1000μF,如采用電子濾波器,那么電容只需要20μF就滿足要求了。采用此電路可以選擇較大的電阻和較小的電容而達(dá)到同樣的濾波效果,因此被廣泛地用 于一些小型電子設(shè)備的電源之中。
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