一、開關(guān)電源中濾波電容的正確選擇

濾波電容在開關(guān)電源中起著非常重要的用途，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個工程技術(shù)人員都十分關(guān)心的問題。

50Hz工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100Hz，充放電時間是毫秒數(shù)量級。為獲得更小的脈動系數(shù)，所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬F，因此普通低頻鋁電解電容器的目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的重要參數(shù)。而開關(guān)電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)十kHz，甚至是數(shù)十MHz，這時電容量并不是其重要指標(biāo)，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是阻抗-頻率特性，要求在開關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，同時關(guān)于半導(dǎo)體器件工作時出現(xiàn)的高頻尖峰信號具有良好的濾波用途。

普通的低頻電解電容器在10kHz左右便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源的使用要求。而開關(guān)電源專用的高頻鋁電解電容器有四個端子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)極。電流從四端電容的一個正端流入，經(jīng)過電容內(nèi)部，再從另一個正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個負(fù)端流入，再從另一個負(fù)端流向電源負(fù)端。

由于四端電容具有良好的高頻特性，為減小電壓的脈動分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲供應(yīng)了極為有利的手段。高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，即將鋁箔分成較短的若干段，用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的阻抗成份。并且采用低電阻率的材料作為引出端子，提高了電容器承受大電流的能力。

二、橋式整流濾波電路圖

橋式整流濾波電路圖

單相橋式整流π型濾波電路

三、濾波電路的設(shè)計(jì)

濾波電路的設(shè)計(jì)

交流電經(jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是大小（電流強(qiáng)度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給無線電裝供電的。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還要再做一番填平取齊的工作，這便是濾波。換句話說，濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。

電容濾波

電容器是一個儲存電能的倉庫。在電路中，當(dāng)有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容器充電，把電能儲存在電容器中；當(dāng)外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲存的電能再放出來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越

大，負(fù)載電阻值越大，充電和放電所要的時間越長。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔(dān)濾波的任務(wù)。

圖5-9是最簡單的電容濾波電路，電容器與負(fù)載電阻并聯(lián)，接在整流器后面，下面以圖5-9（a）所示半波整施情況說明電容濾波的工作過程。在二極管導(dǎo)通期間，e2向負(fù)載電阻Rfz供應(yīng)電流的同時，向電容器C充電，一直充到最大值。e2達(dá)到最大值以后逐漸下降；而電容器兩端電壓不能突然變化，仍然保持較高電壓。這時，D受反向電壓，不能導(dǎo)通，于是Uc便通過負(fù)載電阻Rfz放電。由于C和Rfz較大，放電速度很慢，在e2下降期間里，電容器C上的電壓降得不多。當(dāng)e2下一個周期來到并升高到大于Uc時，又再次對電容器充電。如此重復(fù)，電容器C兩端（即負(fù)載電阻Rfz：兩端）便保持了一個較平穩(wěn)的電壓，在波形圖上呈現(xiàn)出比較平滑的波形。圖5-10（a）（b）中分別示出半波整流和全波整流時電容濾波前后的輸出波形。

顯然，電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達(dá)到一定值以后，再加大電容量對提高濾波效果已無明顯用途。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電用和輸出電說的大小選擇最佳電容量。表5-2中所列濾波電容器容量和輸出電流的關(guān)系，可供參考。電容器的耐壓值一般取的1．5倍。

表5-3中列出帶有濾波器的整流電路中各電壓的關(guān)系。表一、

輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50mA以下

濾波電容4000u2000u1000u500u200u-500u200u

采用電容濾波的整流電路，輸出電壓隨時出電流變化較大，這關(guān)于變化負(fù)載（如乙類推挽電路）來說是很不利的。

二、電感濾波

利用電感對交流阻抗大而對直流用抗小的特點(diǎn)，可以用帶鐵芯的線圈做成濾波器。電磁濾波輸出電壓較低，相輸出電壓波動小，隨負(fù)載變化也很小，適用于負(fù)載電流較大的場合。

三、復(fù)式濾波器。

把電容按在負(fù)載并聯(lián)支路，把電感或電阻接在串聯(lián)支路，可以組成復(fù)式濾波器，達(dá)到更佳的濾波效果口這種電路的形狀很象字母π，所以又叫π型濾波器。

圖5－12所示是由電磁與電容組成的LC濾波器，其濾波效能很高，幾乎沒有直流電壓損失，適用于負(fù)載電流較大、要求紋波很小的場合。但是，這種濾波器由于電感體積和重量大（高頻時可減?。?，比較笨重，成本也較高，一般情況下使用得不多。

由電阻與電容組成的RC濾波器示于圖5－13中。這種復(fù)式濾波器結(jié)構(gòu)簡單，能兼起降壓、限流用途，濾波效能也較高，是最后用的一種濾波器。上述兩種復(fù)式濾波器，由于接有電容，帶負(fù)載能力都較差。

四、RC濾波電路的計(jì)算及公式

RC濾波電路的計(jì)算及公式

關(guān)于無源RC一階低通濾波電路，其傳遞函數(shù)為G（s）=1/（RCs+1）。轉(zhuǎn)換為信號經(jīng)過它的衰減的計(jì)算方法為：

Uo=Ui/［（2*pi*f*R*C）^2+1］^0.5

式中：Uo為輸出電壓；Ui為輸入電壓；pi為圓周率；f為信號頻率。

關(guān)于無源RC二階（以上）低通濾波電路，由于此處用文字行不大好表達(dá)，所以就不寫出了。

五、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，但其脈動成分較大，在一些要求直流電平滑的場合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動成分。

一般直流電中的脈動成分的大小用脈動系數(shù)來表示：

脈動系數(shù)（S）＝GS0712

例如，全波整流輸出電壓uL可用付氏級數(shù)展開為：

GS0713

其中基波最大值為0.6U2，直流分量（平均值）為0.9U2，故脈動系數(shù)S0.67。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動系數(shù)為S＝1.57，可見其脈動系數(shù)是比較大的。一般電子設(shè)備所需直流電源的脈動系數(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)通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的用途，使輸出電壓變得比較平滑；或從另一角度來看，電容、電感對交、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)出濾波用途。

常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。其中無源濾波的重要形式有電容濾波，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）。有源濾波的重要形式是有源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時接通電源，則當(dāng)u2由零逐漸增大時，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，此時電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)u2＜uc時，D因反偏而截止，于是C以一定的時間常數(shù)通過RL按指數(shù)規(guī)律放電，uc下降。直到下一個正半周，當(dāng)u2＞uc時，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，而脈動成分降低了。這都是由于電容的儲能用途造成的。電容在二極管導(dǎo)通時充電（儲能），截止時放電（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．電容的放電時間常數(shù)（＝RLC）愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動成分也愈少，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)電時間縮短了，即導(dǎo)通角小于180°。而且，放電時間常數(shù)越大，導(dǎo)通角越小。因此，整流二極管流過的是一個很大的沖擊電流，對管子的壽命不利，選擇二極管時，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和脈動系數(shù)S隨著輸出電流IL的變化而變化。當(dāng)IL＝0（即RL=∞）時，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，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合。

5．電容濾波電路輸出電壓的佑算。假如電容濾波電路的放電時間常數(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。