電源設(shè)計(jì)中最常見的四種濾波電路原理及特點(diǎn)解析

引言

在整流電路輸出的電壓是單向脈動(dòng)性電壓，不能 直接給電子電路使用。所以要對(duì)輸出的電壓進(jìn)行濾波， 消除電壓中的交流成分，成為直流電后給電子電路使 用。在濾波電路中，主要使用對(duì)交流電有特殊阻抗特性 的器件，如：電容器、電感器。本文對(duì)其各種形式的濾波 電路進(jìn)行分析。

一、濾波電路種類

濾波電路主要有下列幾種：電容濾波電路，這是最 基本的濾波電路；π 型 RC 濾波電路；π 型 LC 濾波電 路；電子濾波器電路。

二、濾波原理

1. 單向脈動(dòng)性直流電壓的特點(diǎn)

如圖 1（a）所示。是單向脈動(dòng)性直流電壓波形，從 圖中可以看出，電壓的方向性無論在何時(shí)都是一致的， 但在電壓幅度上是波動(dòng)的，就是在時(shí)間軸上，電壓呈現(xiàn) 出周期性的變化，所以是脈動(dòng)性的。

但根據(jù)波形分解原理可知，這一電壓可以分解一 個(gè)直流電壓和一組頻率不同的交流電壓，如圖 1（b）所 示。在圖 1（b）中，虛線部分是單向脈動(dòng)性直流電壓 U。 中的直流成分，實(shí)線部分是 UO 中的交流成分。

2. 電容濾波原理

根據(jù)以上的分析，由于單向脈動(dòng)性直流電壓可分 解成交流和直流兩部分。在電源電路的濾波電路中，利 用電容器的“隔直通交”的特性和儲(chǔ)能特性，或者利用 電感“隔交通直”的特性可以濾除電壓中的交流成分。 圖 2 所示是電容濾波原理圖。

圖 2（a）為整流電路的輸出電路。交流電壓經(jīng)整流 電路之后輸出的是單向脈動(dòng)性直流電，即電路中的 UO。

圖 2（b）為電容濾波電路。由于電容 C1 對(duì)直流電 相當(dāng)于開路，這樣整流電路輸出的直流電壓不能通過C1 到地，只有加 到負(fù)載 RL 圖為 RL 上。對(duì)于整流電路 輸出的交流成分， 因 C1 容量較大， 容抗較小，交流成 分通過 C1 流到地 端，而不能加到負(fù) 載 RL。這樣，通過 電容 C1 的濾波， 從單向脈動(dòng)性直 流電中取出了所 需要的直流電壓 +U。

濾波電容 C1 的容量越大，對(duì)交流成分的容抗越 小，使殘留在負(fù)載 RL 上的交流成分越小，濾波效果就 越好。

3. 電感濾波原理

圖 3 所示是電感濾波原理圖。由于電感 L1 對(duì)直流 電相當(dāng)于通路，這樣整流電路輸出的直流電壓直接加 到負(fù)載 RL 上。

對(duì)于整流電路輸出的交流成分，因 L1 電感量較大，感抗較大，對(duì)交流成分產(chǎn)生很大的阻礙作用，阻止 了交流電通過 C1 流到加到負(fù)載 RL。這樣，通過電感 L1 的濾波，從單向脈動(dòng)性直流電中取出了所需要的直 流電壓 +U。

濾波電感 L1 的電感量越大，對(duì)交流成分的感抗越 大，使殘留在負(fù)載 RL 上的交流成分越小，濾波效果就 越好，但直流電阻也會(huì)增大。

三、π 型 RC濾波電路識(shí)圖方法

圖 4 所示是 π 型 RC 濾波電路。電路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只濾波電容，R1 和 R2 是濾波電阻，C1、R1 和C2 構(gòu)成第一節(jié) π 型的 RC 濾波電路， C2、 R2 和 C3 構(gòu)成 第二節(jié) π 型 RC 濾波電路。由于這種濾波電路的形式 如同希臘字母 π 和采用了電阻器、電容器，所以稱為 π 型 RC 濾波電路。

π 型 RC 濾波電路原理如下：

（1）這一電路的濾波原理是：從整流電路輸出的電 壓首先經(jīng)過 C1 的濾波，將大部分的交流成分濾除，然 后再加到由 R1 和 C2 構(gòu)成的濾波電路中。C2 的容抗與 R1 構(gòu)成一個(gè)分壓電路，因 C2 的容抗很小，所以對(duì)交流 成分的分壓衰減量很大，達(dá)到濾波目的。對(duì)于直流電而 言，由于 C2 具有隔直作用，所以 R1 和 C2 分壓電路 對(duì)直流不存在分壓衰減的作用，這樣直流電壓通過 R1 輸出。

（2）在 R1 大小不變時(shí)，加大 C2 的容量可以提高濾 波效果，在 C2 容量大小不變時(shí)，加大 R1 的阻值可以提 高濾波效果。但是，濾波電阻 R1 的阻值不能太大，因?yàn)?流過負(fù)載的直流電流要流過 R1，在 R1 上會(huì)產(chǎn)生直流 壓降，使直流輸出電壓 Uo2 減小。R1 的阻值越大，或流 過負(fù)載的電流越大時(shí)，在 R1 上的壓降越大，使直流輸 出電壓越低。

（3） C1 是第一節(jié)濾波電容，加大容量可以提高濾 波效果。但是 C1 太大后，在開機(jī)時(shí)對(duì) C1 的充電時(shí)間 很長(zhǎng)，這一充電電流是流過整流二極管的，當(dāng)充電電流 太大、時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，會(huì)損壞整流二極管。所以采用這種 π 型 RC 濾波電路可以使 C1 容量較小，通過合理設(shè)計(jì) R1 和 C2 的值來進(jìn)一步提高濾波效果。

（4）這一濾波電路中共有 3 個(gè)直流電壓輸出端，分 別輸出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三組直流電壓。其中， Uo1 只經(jīng)過電 容 C1 濾波； Uo2 則經(jīng)過了 C1、 R1 和 C2 電路的濾波，所 以濾波效果更好， Uo2 中的交流成分更?。?Uo3 則經(jīng)過了 2 節(jié)濾波電路的濾波，濾波效果最好，所以 Uo3 中的交 流成分最少。

（5） 3 個(gè)直流輸出電壓的大小是不同的。 Uo1 電壓最 高，一般這一電壓直接加到功率放大器電路，或加到需 要直流工作電壓最高、工作電流最大的電路中； Uo2 電 壓稍低，這是因?yàn)殡娮?R1 對(duì)直流電壓存在電壓降； Uo3 電壓最低，這一電壓一般供給前級(jí)電路作為直流工作 電壓，因?yàn)榍凹?jí)電路的直流工作電壓比較低，且要求直 流工作電壓中的交流成分少。

四、π型 LC濾波電路識(shí)圖方法

圖 5 所示是 π 型 LC 濾波電路。π 型 LC 濾波電 路與 π 型 RC 濾波電路基本相同。這一電路只是將濾波電阻換成濾波電感，因?yàn)闉V波電阻對(duì)直流電和交流 電存在相同的電阻，而濾波電感對(duì)交流電感抗大，對(duì)直 流電的電阻小，這樣既能提高濾波效果，又不會(huì)降低直 流輸出電壓。

在圖 5 的電路中，整流電路輸出的單向脈動(dòng)性直 流電壓先經(jīng)電容 C1 濾波，去掉大部分交流成分，然后 再加到 L1 和 C2 濾波電路中。

對(duì)于交流成分而言， L1 對(duì)它的感抗很大，這樣在 L1 上的交流電壓降 大，加到負(fù)載上的交 流成分小。

對(duì)直流電而言， 由于 L1 不呈現(xiàn)感抗， 相當(dāng)于通路，同時(shí)濾 波電感采用的線徑較粗，直流電阻很小，這樣對(duì)直流電 壓基本上沒有電壓降，所以直流輸出電壓比較高，這是 采用電感濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)。

五、電子濾波器識(shí)圖方法

1. 電子濾波器

圖 6 所示是電子濾波器。電路中的 VT1 是三極管， 起到濾波管作用， C1 是 VT1 的基極濾波電容， R1 是 VT1 的基極偏置電阻， RL 是這一濾波電路的負(fù)載， C2 是輸出電壓的濾波電容。

電子濾波電路工作原理如下：

①電路中的 VT1、 R1、 C1 組成電 子濾波器電路，這 一電路相當(dāng)于一 只容量為 C1×β1 大小電容器，β1 為 VT1 的電流放 大倍數(shù)，而晶體管 的電流放大倍數(shù) 比較大，所以等效 電容量很大，可見 電子濾波器的濾 波性能是很好的。等效電路如圖 6（b）所示。圖中 C 為 等效電容。

②電路中的 R1 和 C1 構(gòu)成一節(jié) RC 濾波電路， R1 一方面為 VT1 提供基極偏置電流，同時(shí)也是濾波電阻。 由于流過 R1 的電流是 VT1 的基極偏置電流，這一電流 很小， R1 的阻值可以取得比較大，這樣 R1 和 C1 的濾 波效果就很好，使 VT1 基極上直流電壓中的交流成分 很少。由于發(fā)射極電壓具有跟隨基極電壓的特性，這樣 VT1 發(fā)射極輸出電壓中交流成分也很少，達(dá)到濾波的 目的。

③在電子濾波器中，濾波主要是靠 R1 和 C1 實(shí)現(xiàn) 的，這也是 RC 濾波電路，但與前面介紹的 RC 濾波電路是不同的。在這一電路中流過負(fù)載的直流電流是 VT1 的發(fā)射極電流，流過濾波電阻 R1 的電流是 VT1 基極電 流，基極電流很小，所以可以使濾波電阻 R1 的阻值 設(shè)得很大（濾波效果好），但不會(huì)使直流輸出電壓下降 很多。

④電路中的 R1 的阻值大小決定了 VT1 的基極電 流大小，從而決定了 VT1 集電極與發(fā)射極之間的管壓 降，也就決定了 VT1 發(fā)射極輸出直流電壓大小，所以改 變 R1 的大小，可以調(diào)整直流輸出電壓 +V 的大小。

2. 電子穩(wěn)壓濾波器

圖 7 所示是另一種電子穩(wěn)壓濾波器，與前一種電 路相比，在 VT1 基極與地端之間接入了穩(wěn)壓二極管 VD1。電子穩(wěn)壓原理如下：

在 VT1 基極 與地端之間接入 了穩(wěn)壓二 極 管 VD1 后，輸入電 壓經(jīng) R1 使穩(wěn)壓 二極管 VD1 處于 反向偏置狀態(tài)，此時(shí) VD1 的穩(wěn)壓特性使 VT1 管的基極 電壓穩(wěn)定，這樣 VT1 發(fā)射極輸出的直流電壓也比較穩(wěn) 定。注意：這一電壓的穩(wěn)定特性是由于 VD1 的穩(wěn)壓特性 決定的，與電子濾波器電路本身沒有關(guān)系。

R1 同時(shí)還是 VD1 的限流保護(hù)電阻。在加入穩(wěn)壓二 極管 VD1 后，改變 R1 的大小不能改變 VT1 發(fā)射極輸出電壓大小，由于 VT1 的發(fā)射結(jié)存在 PN 結(jié)電壓降，所以 發(fā)射極輸出電壓比 VD1 的穩(wěn)壓值略小。

C1、 R1 與 VT1 同樣組成電子濾波器電路，起到濾波作用。

在有些場(chǎng)合下，為了進(jìn)一步提高濾波效果，可采用 雙管電子濾波器電路， 2 只電子濾波管構(gòu)成了復(fù)合管 電路。這樣總的電流放大倍數(shù)為各管電流放大倍數(shù)之 積，顯然可以提高濾波效果。

六、電源濾波電路識(shí)圖小結(jié)

關(guān)于電源濾波電路分析主要注意以下幾點(diǎn)：

（1）分析濾波電容工作原理時(shí)，主要利用電容器的 “隔直通交”特性，或是充電與放電特性，即整流電路輸 出單向脈動(dòng)性直流電壓時(shí)對(duì)濾波電容充電，當(dāng)沒有單 向脈動(dòng)性直流電壓輸出時(shí)，濾波電容對(duì)負(fù)載放電。

（2）分析濾波電感工作原理時(shí)， 主要是認(rèn)識(shí)電感器對(duì) 直流電的電阻很小、 無感抗作用， 而對(duì)交流電存在感抗。

（3）進(jìn)行電子濾波器電路分析時(shí)，要知道電子濾波 管基極上的電容是濾波的關(guān)鍵元件。另外，要進(jìn)行直流 電路的分析，電子濾波管有基極電流和集電極、發(fā)射極 電流，流過負(fù)載的電流是電子濾波管的發(fā)射極電流，改 變基極電流大小可以調(diào)節(jié)電子濾波管集電極與發(fā)射極 之間的管壓降，從而改變電子濾波器輸出的直流電壓 大小。

（4）電子濾波器本身沒有穩(wěn)壓功能，但加入穩(wěn)壓二 極管之后可以使輸出的直流電壓比較穩(wěn)定。