整流滤波电路的设计

1、110.3 10.3 滤波电路滤波电路交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波直流直流电压电压 经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。使其更接近于直流。 滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。2一、电容滤波电路一、电容滤波电路 电容滤波电路是使用最多也是最简单的滤波电路。电容滤波电路是使用最多也是最简

2、单的滤波电路。其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解电容，利用电容对电压的充放电作用使输出电压趋于电容，利用电容对电压的充放电作用使输出电压趋于平滑。该形式电路多用于小功率电源电路中。平滑。该形式电路多用于小功率电源电路中。1电容滤波原理电容滤波原理以单向以单向桥式整流电桥式整流电容滤波为例容滤波为例进行分析，进行分析，其电路如图其电路如图所示。所示。a桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC3当当RL未接入时未接入时(电容初始电压为电容初始电压为0)：u2tuot设设t1时刻接时刻接通电源通电源t

3、1整流电路为整流电路为电容充电电容充电充电结束充电结束没有电容没有电容时的输出时的输出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucuo =uc= U22c=RintC（Rint为充电回为充电回路等效电阻）路等效电阻）4当当RL接入时（假设接入时（假设RL是是u2在从在从0上升时接入的）：上升时接入的）：u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容无滤波电容时的波形时的波形加入滤波电容加入滤波电容时的波形时的波形5uotu2上升上升, u2大于电容大于电容上的电压上的电压uc,u2对电容充电，对电容充电，uo= uc u2u2下降，下降， u2小于电容上的电压。小

4、于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。二极管承受反向电压而截止。电容电容C通过通过RL放电，放电， uc按指数按指数规律下降，时间常数规律下降，时间常数 = RL C6u2tuot只有整流电路输出只有整流电路输出电压大于电压大于uc时，才时，才有充电电流。因此有充电电流。因此二极管中的电流是二极管中的电流是脉冲波。脉冲波。二极管中的二极管中的电流电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC7u2tuot电容充电时，电容充电时，电容电压滞后电容电压滞后于于u2。RLC越小，输越小，输出电压越低。出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时

5、82电容滤波的主要参数电容滤波的主要参数 因为滤波的过程中含有正弦波、指数曲线及谐因为滤波的过程中含有正弦波、指数曲线及谐波成分，一般很难用精确的数学表达式进行计算，波成分，一般很难用精确的数学表达式进行计算，所以一般使用中多采用近似估算来确定其参数。所以一般使用中多采用近似估算来确定其参数。 输出电压可以近似看成输出电压可以近似看成锯齿波，如图所示。锯齿波，如图所示。 设设uc每次充电到峰值每次充电到峰值Uomax= U2后按后按RLC放电的放电的初始斜率线性下降，经过初始斜率线性下降，经过=RLC放电结束交于横轴；放电结束交于横轴；2 并令在并令在 （T为正弦波周为正弦波周期）处为电容充放

6、电转换时的电压值期）处为电容充放电转换时的电压值Uomin。2T则：则：2UUUOminOmax)AV(O 9CR2TUUULOmaxOminOmax 由相似三角形关系可得：由相似三角形关系可得：OmaxLOminOmaxUC4RT2UU 2UUUOminOmax)AV(O 则：则：2UUUOminOmaxOmax )C4RT1(ULOmax 即：即：)C4RT1(U2UL2O(AV) Io(AV)= Uo(AV)/RL10脉动系数脉动系数S：采用近似波形计算。采用近似波形计算。以（以（UomaxUomin）为基波峰）为基波峰-峰值，则峰值，则OmaxLOminOmaxUC4RT2UU 1TC

7、4R1TC4RT)C4RT1(UUC4RTSLLLOmaxOmaxL 实际实际uo的波动没有近似波形误差大，故实际的波动没有近似波形误差大，故实际S比比计算值要小。计算值要小。11一般取一般取近似估算近似估算: Uo(AV)1.2U2(b) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC 越大越大 Uo越高越高负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大的峰值电流越大(a) 输出电压输出电压 平均值平均值Uo与时间常数与时间常数 RLC 有关有关RLC 愈大愈大 电容器放电愈慢电容器放电愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二极

8、管承受的最高反向电压：二极管承受的最高反向电压：22UURMT)5 . 25 . 1(2T)53(CRL (d) 滤波电容应选用耐压滤波电容应选用耐压1.1 的电解电容。的电解电容。2U212 由由UO(AV)的表达式可看出，的表达式可看出，C越大，越大， UO(AV)也越也越大，大，IO(AV)也会增大，而整流管的通电时间却越短，也会增大，而整流管的通电时间却越短，整流管的导通电流加大，如果整流管的导通电流加大，如果C太大则初始充电时太大则初始充电时间要长，整流管中通过的冲击电流时间加长，长时间要长，整流管中通过的冲击电流时间加长，长时间会影响整流管使用寿命。所以一般选择整流管时间会影响整流

9、管使用寿命。所以一般选择整流管时ID(AV)（23） IO(AV) 。 改变改变RLC会对会对UO(AV)和和S有影响，将有影响，将UO(AV)和和IO(AV)的关系曲线称为的关系曲线称为输出特性输出特性，将，将S和和IO(AV)的关系曲线称的关系曲线称为为滤波特性滤波特性，如果，如果RLC越小，越小，UO(AV)越低，则越低，则S越越大，而加大大，而加大C可使滤波效果和负载能力增强，但可使滤波效果和负载能力增强，但 C不能无限增大。不能无限增大。 所以电容滤波形式电路一般适用于输出电流较所以电容滤波形式电路一般适用于输出电流较小且负载变化不大的场合。小且负载变化不大的场合。13电路结构电路结

10、构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo二、电感滤波电路二、电感滤波电路14电感滤波原理电感滤波原理对谐波分量对谐波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。 因此，因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo(AV)0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压: :u2u1RLLuo对直流分量对直流分量: XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上上15三、其他形

11、式的滤波电路三、其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：采取多级滤波。如：L-C 型滤波电路：型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。在电感滤波后面再接一电容。RC 型滤波电路：型滤波电路：在电容滤波后再接一级在电容滤波后再接一级RC滤滤波电路。波电路。 性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC 型滤波电路：型滤波电路：在电容滤波后面再接在电容滤波后面再接L-C 型型滤波电路。滤波电路。16. . RC RC 型型滤波器滤波器改善滤波特性的方法：改善滤波特性的方法：采取多级滤波采取多级滤波uoRu2u1C1C

12、2uo1 RLRC 型型滤波器滤波器17uoRu2u1C1C2uo1 RLuo的交流分量的基波的幅值：的交流分量的基波的幅值：moCLCLmoUXRRXRU1221)j/()j/(moLLLmoUCRRCRRRU122221)1()/(118通常选择滤波元件的参数使得：通常选择滤波元件的参数使得：)/(12LRRCmoLLLmoURRCRRRU121)/(1moLLLmoUCRRCRRRU122221)1()/(1uo的脉动系数的脉动系数S与与uo1的脉动系数的脉动系数S 的关系：的关系：SRRCUURRCUUSLomoLomo)/(1)/(1212119、 L L- -C C 型滤波电路型滤

13、波电路u2u1LuoCRLuo1设设uo1的直流分量为的直流分量为U O，交流分量的基波的幅，交流分量的基波的幅值为值为U O1m，：，：29 .0 UUUoo67. 0SmoCLLCLmoUXRXXRU11)j/(j)j/(20moCLLCLmoUXRXXRU11)j/(j)j/(通常选择滤波元件的参数使得：通常选择滤波元件的参数使得：LRC1momoCLCmoULCUXXXU121111jjjuo的脉动系数的脉动系数S与与uo1的脉动系数的脉动系数S 的关系：的关系：SLCUULCUUSomoomo2121111121、LC LC 型滤波电型滤波电路路u2u1LuoC2RLuo1C1显然，

14、显然， LC 型滤波电路输出电压的脉动系型滤波电路输出电压的脉动系数比只有数比只有LC滤波时更小，滤波时更小，波形更加平滑波形更加平滑；由；由于在输入端接入了电容，因而较只有于在输入端接入了电容，因而较只有LC滤波滤波时，时，提高了输出电压提高了输出电压。请自行分析请自行分析LC 型滤波电路的输出型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。电压和脉动系数等基本参数。22四四 倍压整流电路倍压整流电路 利用滤波电容的充放电作用，将多个电容和二极利用滤波电容的充放电作用，将多个电容和二极管组合可获得倍数于变压器附边电压的输出电压。管组合可获得倍数于变压器附边电压的输出电压。1、二倍压整流电路、二倍压

15、整流电路u2的正半周时：的正半周时：D1导通，导通，D2截止，理想情况下，电截止，理想情况下，电容容C1的电压：的电压：21CU2U u2的负半周时：的负半周时：D2导通，导通，D1截止，理想情况下，电截止，理想情况下，电容容C2的电压：的电压：21C22CU22UUU 输出端的电压：输出端的电压：22COU22UU 即二倍压电压。即二倍压电压。23+22U2、多倍压整流电路、多倍压整流电路+222Uu2的第一个正半周：的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，构成回路，C1充充电到：电到：22Uu2的第一个负半周：的第一个负半周：u2、C2、D2 、C1构成回路，构成回路，C2充电到：充电到

16、：222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C624+22U+222U+222U+222U+222U+222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：的第二个正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2构成回构成回路，路， C1补充电荷，补充电荷，C3充电到：充电到：222Uu2的第二个负半周：的第二个负半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1构构成回路，成回路， C2补充电荷，补充电荷， C4充电到：充电到：222U把电容接在相应电容组的两端，即把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。可获得所需的多倍压直流输出。2510

17、.4 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路 稳压电路的作用稳压电路的作用: :使直流电路在电网波使直流电路在电网波动、负载变化、温度变化等因素影响下保证动、负载变化、温度变化等因素影响下保证输出电压稳定。输出电压稳定。交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波有波纹的有波纹的直流电压直流电压稳压稳压直流直流电压电压26一一. . 稳压电源类型稳压电源类型以下主要讨以下主要讨论线性稳压论线性稳压电路。电路。稳压二极管稳压二极管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) )电路最简单，但是电路最简单，但是带

18、负载能力差，一带负载能力差，一般只提供基准电压，般只提供基准电压，不作为电源使用。不作为电源使用。效率较高，目前效率较高，目前用的也比较多，用的也比较多，但因学时有限，但因学时有限，这里不做介绍。这里不做介绍。27二二. . 稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标(1)稳压系数稳压系数 S（越小越好）（越小越好）稳压系数稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。化量与输入电压的相对变化量之比。OIOIUUSUU(2)输出电阻输出电阻Ro （越小越

19、好）（越小越好）输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。的内阻。28uiIZminIZmax稳压管稳压电路具有电路简单、稳压管稳压电路具有电路简单、元件数量少等优点，应用较为元件数量少等优点，应用较为广泛。适用于负载电流小、负广泛。适用于负载电流小、负载电压不变的场合。载电压不变的场合。三三. . 稳压管稳压电路稳压管稳压电路29从稳压管的特性可知，在电从稳压管的特性可

20、知，在电路中若能使稳压管始终工作路中若能使稳压管始终工作在稳压区内，即：使稳压管在稳压区内，即：使稳压管的电流的电流IZ满足条件：满足条件： IZmin IZ IZmax,则输出电则输出电压压UO基本上保持不变，约为基本上保持不变，约为UZ。uiIZminIZmax 所以稳压二极管的稳压作用是利用稳压管中所以稳压二极管的稳压作用是利用稳压管中电流的调节实现稳压目的。电路中电流的调节实现稳压目的。电路中R必不可少，必不可少，其作用是限流和电压、电流补偿。其作用是限流和电压、电流补偿。30 通过对电路分析通过对电路分析容易得到关系式：容易得到关系式：ORIUUU OZRIII 1 1、稳压管稳压电

21、路的工作原理、稳压管稳压电路的工作原理当电网电压变化时：当电网电压变化时： RRZOIUIIUU OU以上过程是利用以上过程是利用 关系中，使关系中，使 ，从而实现，从而实现UO的稳定。的稳定。ORIUUU IRUU 31当负载发生变化时：当负载发生变化时：不不变变不不变变OROZRZOLUIIIIIUR ROII以上过程是利用以上过程是利用 关系中，使关系中，使 ，使，使IR基本不变而实现基本不变而实现UO的稳定。的稳定。OZII OZRIII 322 2、稳压管稳压电路的性能指标、稳压管稳压电路的性能指标 稳压管稳压电路的性能指标主要有稳压系数稳压管稳压电路的性能指标主要有稳压系数S Sr

22、 r、输出电阻输出电阻R RO O、电压调整率、电流调整率、最大纹波、电压调整率、电流调整率、最大纹波电压、温度系数等。主要了解前两个。电压、温度系数等。主要了解前两个。Sr定义为：定义为：在负载固定时稳压电路输出电压相对变在负载固定时稳压电路输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。化量与输入电压相对变化量之比。常常数数 LRIIOOUUUUS Sr反映电网波动对输出电压的影响，其值越小说反映电网波动对输出电压的影响，其值越小说明稳压性能越好。明稳压性能越好。33RO定义为：定义为：在输入电压固定时，稳压电路输出电在输入电压固定时，稳压电路输出电压变化量与输出电流变化量之比。压变化量与输出电流变化量之比。常常数数 IUOOOIUR RO反映负载波动对稳压电路的影响，其值越小说反映负载波动对稳压电路的影响，其值越小说明稳压电路带负载能力越强。明稳压电路带负载能力越强。 在只考虑变化量条件下，稳压管稳压电路可等在只考虑变化量条件下，稳压管稳压电路可等效为如图形式，效为如图形式，rz为稳压管的动态电阻。为稳压管的动态电阻。+-UIUO+-IZIODZRLR限流电阻限流电阻IR+-UIUO+-RLRrz34脉动系数脉动系数Sr： Sr=(UO/UI)(UI/UO) +-UIUO+-RLRrz输出电阻输出电阻RO：RO=R/rzrzzzLz