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電源濾波設(shè)計(jì)關(guān)鍵基礎(chǔ)精華集錦

作者: 時(shí)間:2012-05-23 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

一、開(kāi)關(guān)電容的正確選擇

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177172.htm

  電容在開(kāi)關(guān)中起著非常重要的作用,如何正確選擇電容,尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個(gè)工程技術(shù)人員都十分關(guān)心的問(wèn)題。

  50Hz工頻電路中使用的普通電解電容器,其脈動(dòng)電壓頻率僅為100Hz,充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)。為獲得更小的脈動(dòng)系數(shù),所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬(wàn)μF,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)劣的主要參數(shù)。而開(kāi)關(guān)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(shí)電容量并不是其主要指標(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(kāi)關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗,同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號(hào)具有良好的濾波作用。

  普通的低頻電解電容器在10kHz左右便開(kāi)始呈現(xiàn)感性,無(wú)法滿足開(kāi)關(guān)電源的使用要求。而開(kāi)關(guān)電源專用的高頻鋁電解電容器有四個(gè)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(gè)正端流入,經(jīng)過(guò)電容內(nèi)部,再?gòu)牧硪粋€(gè)正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個(gè)負(fù)端流入,再?gòu)牧硪粋€(gè)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(dòng)分量以及抑制開(kāi)關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。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

  濾波電路的

  交流電經(jīng)過(guò)二極管整流之后,方向單一了,但是大?。娏鲝?qiáng)度)還是處在不斷地變化之中。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來(lái)給無(wú)線電裝供電的。要把脈動(dòng)直流變成波形平滑的直流,還需要再做一番“填平取齊”的工作,這便是濾波。換句話說(shuō),濾波的任務(wù),就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)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(gè)儲(chǔ)存電能的倉(cāng)庫(kù)。在電路中,當(dāng)有電壓加到電容器兩端的時(shí)候,便對(duì)電容器充電,把電能儲(chǔ)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(chǔ)存的電能再放出來(lái)。充電的時(shí)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(shí)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,充電和放電所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性,正好可以用來(lái)承擔(dān)濾波的任務(wù)。

  圖5-9是最簡(jiǎn)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(shuō)明電容濾波的工作過(guò)程。在二極管導(dǎo)通期間,e2 向負(fù)載電阻Rfz 提供電流的同時(shí),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(shí),D 受反向電壓,不能導(dǎo)通,于是Uc便通過(guò)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(gè)周期來(lái)到并升高到大于Uc時(shí),又再次對(duì)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(gè)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(shí)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(duì)提高濾波效果已無(wú)明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電用和輸出電說(shuō)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(shí)出電流變化較大,這對(duì)于變化負(fù)載(如乙類推挽電路)來(lái)說(shuō)是很不利的。

  二、電感濾波

  利用電感對(duì)交流阻抗大而對(duì)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(dòng)小,隨負(fù)載變化也很小,適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)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(méi)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(chǎng)合。但是,這種濾波器由于電感體積和重量大(高頻時(shí)可減?。容^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(jiǎn)單,能兼起降壓、限流作用,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

  對(duì)于無(wú)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(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)頻率。

  對(duì)于無(wú)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(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:

  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(kāi)為:

  

       GS0713

  其中基波最大值為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。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)到最大值以后開(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:

  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(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 ~0.9 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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