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一文了解四種常見(jiàn)濾波電路

出處:電子市場(chǎng) 發(fā)布于:2017-05-17 15:28:08 | 22026 次閱讀

  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(wèn)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(jiàn)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(guò)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k Ω),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(wú)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。
  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(lèi)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RC濾波電路組成的。其濾波原理可以這樣解釋:經(jīng)過(guò)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(kāi)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:


  由式可見(jiàn),R愈小,輸出的直流分量愈大;由式 可見(jiàn),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。
  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(lái)解釋。當(dāng)電感中通過(guò)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?jī)?chǔ)存起來(lái);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 =0.9U2 GS0718
  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(guò),使交流得受阻的原理來(lái)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。
  電容濾波電路
  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(lái)表示:
 

  其中基波值為0.6U2,直流分量(平均值)為0.9 U2,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(jiàn)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(lái)看,電容、電感對(duì)交、直流成分反映出來(lái)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(wú)源濾波和有源濾波兩大類(lèi)。其中無(wú)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(méi)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)到值以后開(kāi)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(guò)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:
  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(lái)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(guò)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 ~0.9 U2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(jiǎn)單、使用方便、應(yīng)用較廣。

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