電源的整流濾波原理圖詳解（五種濾波整流電路）

　　五種濾波整流電路介紹

　　一、有源濾波電路

　　為了提高濾波效果，解決π型RC濾波電路中交、直流分量對(duì)R的要求相互矛盾的問題，在RC電路中增加了有源器件-晶體管，形成了RC有源濾波電路。常見的RC有源濾波電路如圖Z0716所示，它實(shí)質(zhì)上是由C1、Rb、C2組成的π型RC濾波電路與晶體管T組成的射極輸出器聯(lián)接而成的電路。該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

　　1．濾波電阻Rb接于晶體管的基極回路，兼作偏置電阻，由于流過Rb的電流入很小，為輸出電流Ie的1／（1＋β），故Rb可取較大的值（一般為幾十kΩ），既使紋波得以較大的降落，又不使直流損失太大。

　　2．濾波電容C2接于晶體管的基極回路，便可以選取較小的電容，達(dá)到較大電容的濾波效果，也減小了電容的體積，便于小型化。如圖中接于基極的電容C2折合到發(fā)射極回路就相當(dāng)于（1＋β）C2的電容的濾波效果（因ie=（1+β）ib之故）。

　　3．由于負(fù)載凡接于晶體管的射極，故RL上的直流輸出電壓UE≈UB，即基本上同RC無源濾波輸出直流電壓相等。

　　這種濾波電路濾波特性較好，廣泛地用于一些小型電子設(shè)備之中。

　　二、復(fù)式濾波電路

　　復(fù)式濾波電路常用的有LCГ型、LCπ型和RCπ型3種形式，如圖Z0715所示。它們的電路組成原則是，把對(duì)交流阻抗大的元件（如電感、電阻）與負(fù)載串聯(lián)，以降落較大的紋波電壓，而把對(duì)交流阻抗小的元件（如電容）與負(fù)載并聯(lián)，以旁路較大的紋波電流。其濾波原理與電容、電感濾波類似，這里僅介紹RCπ型濾波。

　　圖Z0715（c）為RCπ型濾波電路，它實(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。其濾波原理可以這樣解釋：經(jīng)過電容C1濾波之后，C1兩端的電壓包含一個(gè)直流分量與交流分量，作為RC2濾波的輸入電壓。對(duì)直流分量而言，C2可視為開路，RL上的輸出直流電壓為：

　　對(duì)于交流分量而言，其輸出交流電壓為：

　　若滿足條件

　　則有

　　由式可見，R愈小，輸出的直流分量愈大；由式可見，RC2愈大，輸出的交流分量愈小。濾波效果愈好。所以R受兩方面的制約，只能兼顧選擇。這種濾波電路較單電容濾波效果好，、但也只適用于負(fù)載電流不大的場(chǎng)合。

　　三、電感濾波電路

　　帶電感濾波的全波整流電路如圖Z0713所示。濾波元件L串在整流輸出與負(fù)載RL之間（電感濾波一般不與半波整流搭配）。其濾波原理可用電磁感應(yīng)原理來解釋。當(dāng)電感中通過交變電流時(shí)，電感兩端便產(chǎn)生出一反電勢(shì)阻礙電流的變化：當(dāng)電流增大時(shí)，反電勢(shì)會(huì)阻礙電流的增大，并將一部分能量以磁場(chǎng)能量儲(chǔ)存起來；當(dāng)電流減小時(shí)，反電勢(shì)會(huì)阻礙電流的減小，電感釋放出儲(chǔ)存的能量。這就大大減小了輸出電流的變化，使其變得平滑，達(dá)到了濾波目的。當(dāng)忽略L的直流電阻時(shí)，RL上的直流電壓UL與不加濾波時(shí)負(fù)載上的電壓相同，即UL=0.9U2GS0718

　　電感濾波原理，也可以用電感對(duì)交、直流分量感抗不同，使直流順利通過，使交流得受阻的原理來解釋。

　　與電容濾波相比，電感濾波有以下特點(diǎn)：

　　1．電感濾波的外特性和脈動(dòng)特性好。其外特性和脈動(dòng)特性如圖Z0714所示。UL隨ＩL的增大下降不多，基本上是平坦的（下降是L的直流電阻引起的）；S隨ＩL的增大而減小。

　　2．電感濾波電路整流二極管的導(dǎo)通角θ=π。

　　3．電感濾波輸出電壓較電容濾波為低。故一般電感濾波適用于輸出電壓不高，輸出電流較大及負(fù)載變化較大的場(chǎng)合。

　　四、電容濾波電路

　　濾波電路

　　整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動(dòng)成分較大，在一些要求直流電平滑的場(chǎng)合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動(dòng)成分。

　　一般直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來表示：

　　脈動(dòng)系數(shù)（S）＝GS0712

　　例如，全波整流輸出電壓uL可用付氏級(jí)數(shù)展開為：

　　其中基波最大值為0.6U2，直流分量（平均值）為0.9U2，故脈動(dòng)系數(shù)S≈0.67。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S＝1.57，可見其脈動(dòng)系數(shù)是比較大的。一般電子設(shè)備所需直流電源的脈動(dòng)系數(shù)小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。這一措施就是濾波。

　　最基本的濾波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑；或從另一角度來看，電容、電感對(duì)交、直流成分反映出來的阻抗不同，把它們合理地安排在電路中，即可達(dá)到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波作用。

　　常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。其中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，π型LC濾波和π型RC濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。

　　電容濾波

　　半波整流電容濾波電路如圖Z0710所示。其濾波原理如下：

　　電容C并聯(lián)于負(fù)載RL的兩端，uL＝uC。在沒有并入電容C之前，整流二極管在u2的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后，設(shè)在ωt=0時(shí)接通電源，則當(dāng)u2由零逐漸增大時(shí)，二極管D導(dǎo)通，除有一電流iL流向負(fù)載以外還有一電流iC向電容C充電，充電電壓uC的極性為上正下負(fù)。如忽略二極管的內(nèi)阻，則uC可充到接近u2的峰值u2m。在u2達(dá)到最大值以后開始下降，此時(shí)電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)u2＜uc時(shí)，D因反偏而截止，于是C以一定的時(shí)間常數(shù)通過RL按指數(shù)規(guī)律放電，uc下降。直到下一個(gè)正半周，當(dāng)u2＞uc時(shí)，D又導(dǎo)通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中藍(lán)線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。

　　全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同，濾波波形如圖Z0711所示。

　　從以上分析可以看出：

　　1.加了電容濾波之后，輸出電壓的直流成分提高了，而脈動(dòng)成分降低了。這都是由于電容的儲(chǔ)能作用造成的。電容在二極管導(dǎo)通時(shí)充電（儲(chǔ)能），截止時(shí)放電（將能量釋放給負(fù)載），不但使輸出電壓的平均值增大，而且使其變得比較平滑了。

　　2．電容的放電時(shí)間常數(shù)（τ＝RLC）愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動(dòng)成分也愈少，即濾波效果愈好。故一般C取值較大，RL也要求較大。實(shí)際中常按下式來選取C的值：

　　RLC≥（3～5＞T（半波）GS0714

　　RLC≥（3～5）T／2（全波、橋式）GS0715

　　3．電容濾波電路中整流二極管的導(dǎo)電時(shí)間縮短了，即導(dǎo)通角小于180°。而且，放電時(shí)間常數(shù)越大，導(dǎo)通角越小。因此，整流二極管流過的是一個(gè)很大的沖擊電流，對(duì)管子的壽命不利，選擇二極管時(shí)，必須留有較大余量。

　　4.電容濾波電路的外特性（指UL與IL之間的關(guān)系）和脈動(dòng)特性（指S與IL之間的關(guān)系）比較差，如圖Z0712所示?？梢钥闯鲚敵鲭妷篣L和脈動(dòng)系數(shù)S隨著輸出電流IL的變化而變化。當(dāng)IL＝0（即RL=∞）時(shí)，UL=U2（電容充電到最大值后不再放電），S=0。當(dāng)IL增大（即RL減?。r(shí)，由于電容放電程度加快而使UL下降，UL的變化范圍在U2～0.9U2之間（指全波或橋式），S變大。所以，電容濾波一般適用于負(fù)載電流變化不大的場(chǎng)合。

　　5．電容濾波電路輸出電壓的佑算。如果電容濾波電路的放電時(shí)間常數(shù)按式GS0714或GS0715取值的話，則輸出電壓分別為：

　　UL＝（0.9～1.0）U2（半波）GS0716

　　UL＝（1.1～1.2）U2（全波）GS0717

　　電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、應(yīng)用較廣。

　　五、倍壓整流電路

　　倍壓整流電路由電源變壓器、整流二極管、倍壓電容和負(fù)載電阻組成。它可以輸出高于變壓器次級(jí)電壓二倍、三倍或n倍的電壓，一般用于高電壓、小電流的場(chǎng)合。

　　二倍壓整流電路如圖Z0707所示。其工作原理是：在u2的正半周，D1導(dǎo)通，D2截止，電容C1被充電到接近u2的峰值u2m，極性如圖中Z0708（a）所標(biāo)；在u2的負(fù)半周，D1截止，D2導(dǎo)通，這時(shí)變壓器次級(jí)電壓u2與C1所充電壓極性一致，二者串聯(lián)，且通過D2向C2充電使C2上充電電壓可接近2u2m。當(dāng)負(fù)載RL并接在C2兩端時(shí)（RL一般較大），則RL上的電壓UL也可接近2u2m。

　　圖Z0709為n倍壓整流電路，整流原理相同。可見，只要增加整流二極管和電容的數(shù)目，便可得到所需要的n倍壓（n個(gè)二極管和n個(gè)電容）電路。

　　電源的整流濾波原理圖

　　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。

　　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。