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一文了解四种常见滤波电路

文章出处:电子市场 发布时间: 2017-5-17 15:28:08 | 1412 次阅读 | 0次推荐 | 0条留言

  有源滤波电路
  为了提高滤波效果,解决π型RC滤波电路中交、直流分量对R的要求相互矛盾的问题,在RC电路中增加了有源器件-晶体管,形成了RC有源滤波电路。常见的RC有源滤波电路如图Z0716所示。


  它实质上是由C1、Rb、C2组成的π型RC滤波电路与晶体管T组成的射极输出器联接而成的电路。该电路的优点是:
  1.滤波电阻Rb 接于晶体管的基极回路,兼作偏置电阻,由于流过Rb 的电流入很小,为输出电流Ie的1/(1+β),故Rb可取较大的值(一般为几十k Ω),既使纹波得以较大的降落,又不使直流损失太大。
  2.滤波电容C2接于晶体管的基极回路,便可以选取较小的电容,达到较大电容的滤波效果,也减小了电容的体积,便于小型化。如图中接于基极的电容C2 折合到发射极回路就相当于(1+β)C2的电容的滤波效果(因 ie = (1+ β )ib之故)。
  3.由于负载凡接于晶体管的射极,故 RL上的直流输出电压UE≈UB,即基本上同RC无源滤波输出直流电压相等。
  这种滤波电路滤波特性较好,广泛地用于一些小型电子设备之中。
  复式滤波电路
  复式滤波电路常用的有LCГ型、LCπ型和RCπ 型3种形式,如图Z0715所示。它们的电路组成原则是,把对交流阻抗大的元件(如电感、电阻)与负载串联,以降落较大的纹波电压,而把对交流阻抗小的元件(如电容)与负载并联,以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感滤波类似,这里仅介绍RCπ型滤波。


  图Z0715(c)为RCπ型滤波电路,它实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。其滤波原理可以这样解释:经过电容C1滤波之后,C1两端的电压包含一个直流分量 与交流分量 ,作为RC2滤波的输入电压。对直流分量而言,C2 可视为开路,RL上的输出直流电压为:
  对于交流分量 而言,其输出交流电压为:


  由式可见,R愈小,输出的直流分量愈大;由式 可见,RC2愈大,输出的交流分量愈小。滤波效果愈好。所以R受两方面的制约,只能兼顾选择。这种滤波电路较单电容滤波效果好,、但也只适用于负载电流不大的场合。
  电感滤波电路


  带电感滤波的全波整流电路如图Z0713 所示。滤波元件L串在整流输出与负载RL之间(电感滤波一般不与半波整流搭配)。其滤波原理可用电磁感应原理来解释。当电感中通过交变电流时,电感两端便产生出一反电势阻碍电流的变化:当电流增大时,反电势会阻碍电流的增大,并将一部分能量以磁场能量储存起来;当电流减小时,反电势会阻碍电流的减小,电感释放出储存的能量。这就大大减小了输出电流的变化,使其变得平滑,达到了滤波目的。当忽略L的直流电阻时,RL上的直流电压UL与不加滤波时负载上的电压相同,即UL =0.9U2 GS0718
  电感滤波原理,也可以用电感对交、直流分量感抗不同,使直流顺利通过,使交流得受阻的原理来解释。
  与电容滤波相比,电感滤波有以下特点:
  1.电感滤波的外特性和脉动特性好。其外特性和脉动特性如图Z0714 所示。UL随IL的增大下降不多,基本上是平坦的(下降是L的直流电阻引起的);S随IL的增大而减小。
  2.电感滤波电路整流二极管的导通角 θ=π。
  3.电感滤波输出电压较电容滤波为低。故一般电感滤波适用于输出电压不高,输出电流较大及负载变化较大的场合。
  电容滤波电路
  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:
 

  其中基波最大值为0.6U2,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:
  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=RLC)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:
  RLC≥(3~5>T(半波) GS0714
  RLC≥(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。

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