整流滤波电路的设计

1§10.3滤波电路交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压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，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、电容滤波电路电容滤波电路是使用最多也是最简单的滤波电路。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。1．电容滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC3当RL未接入时(电容初始电压为0)：u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucuo=uc=U22τc=RintC（Rint为充电回路等效电阻）4当RL接入时（假设RL是u2在从0上升时接入的）：u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形5uotu2上升,u2大于电容上的电压uc,u2对电容充电，uo=ucu2u2下降，u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数=RLC6u2tuot只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC7u2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。RLC越小，输出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC较大）时82．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。输出电压可以近似看成锯齿波，如图所示。设uc每次充电到峰值Uomax=U2后按RLC放电的初始斜率线性下降，经过τ=RLC放电结束交于横轴；2并令在（T为正弦波周期）处为电容充放电转换时的电压值Uomin。2T则：2UUUOminOmax)AV(O9CR2TUUULOmaxOminOmax由相似三角形关系可得：OmaxLOminOmaxUC4RT2UU2UUUOminOmax)AV(O则：2UUUOminOmaxOmax)C4RT1(ULOmax即：)C4RT1(U2UL2O(AV)Io(AV)=Uo(AV)/RL10脉动系数S：采用近似波形计算。以（Uomax－Uomin）为基波峰-峰值，则OmaxLOminOmaxUC4RT2UU1TC4R1TC4RT)C4RT1(UUC4RTSLLLOmaxOmaxL实际uo的波动没有近似波形误差大，故实际S比计算值要小。11一般取近似估算:Uo(AV)≈1.2U2(b)流过二极管瞬时电流很大RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短iD的峰值电流越大(a)输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大(c)二极管承受的最高反向电压：22UURMT)5.2~5.1(2T)5~3(CRL(d)滤波电容应选用耐压1.1的电解电容。2U212由UO(AV)的表达式可看出，C越大，UO(AV)也越大，IO(AV)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C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，长时间会影响整流管使用寿命。所以一般选择整流管时ID(AV)＞（2~3）IO(AV)。改变RLC会对UO(AV)和S有影响，将UO(AV)和IO(AV)的关系曲线称为输出特性，将S和IO(AV)的关系曲线称为滤波特性，如果RLC越小，UO(AV)越低，则S越大，而加大C可使滤波效果和负载能力增强，但C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小且负载变化不大的场合。13电路结构: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。u2u1RLLuo二、电感滤波电路14电感滤波原理对谐波分量:f越高，XL越大,电压大部分降在XL上。因此，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:u2u1RLLuo对直流分量:XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上15三、其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。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：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。16１.RC–型滤波器改善滤波特性的方法：采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1´RLRC–型滤波器17uoRu2u1C1C2uo1´RLuo的交流分量的基波的幅值：moCLCLmo'UXRRXRU1221)j//()j//(moLLLmoU'CRRCRRRU122221)1()//(118通常选择滤波元件的参数使得：)//(12LRRCmoLLLmoU'RRCRRRU121)//(1moLLLmoU'CRRCRRRU122221)1()//(1uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：S'RRCU'U'RRCUUSLomoLomo)//(1)//(1212119２、L-C型滤波电路u2u1LuoCRLuo1设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，：29.0UU'Uoo67.0S'moCLLCLmo'UXRXXRU11)j//(j)j//(20moCLLCLmo'UXRXXRU11)j//(j)j//(通常选择滤波元件的参数使得：LRC1momoCLCmoU'LCU'XXXU121111jjjuo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：S'LCU'U'LCUUSomoomo2121111121３、LC–型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1C1显然，LC–型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有LC滤波时，提高了输出电压。请自行分析LC–型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。22四．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u1u+–D1C2D2uou12+–D1C2D2uoCC1ab+–u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压：21CU2Uu2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压：21C22CU22UUU输出端的电压：22COU22UU即二倍压电压。23+–22U2、多倍压整流电路+–222Uu2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：22Uu2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C624+–22U+–222U+–222U+–222U+–222U+–222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回路，C1补充电荷，C3充电到：222Uu2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到：222U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。25§10.4稳压二极管稳压电路稳压电路的作用: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输出电压稳定。交流电压脉动直流电压整流滤波有波纹的直流电压稳压直流电压26一.稳压电源类型以下主要讨论线性稳压电路。稳压二极管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。27二.稳压电路的主要性能指标(1)稳压系数S（越小越好）稳压系数S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，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。OIOIUUSUU(2)输出电阻Ro（越小越好）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流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。28~220VRL+-UORDZ+-UIIZIZIRuiIZminIZmax稳压管稳压电路具有电路简单、元件数量少等优点，应用较为广泛。适用于负载电流小、负载电压不变的场合。三.稳压管稳压电路29从稳压管的特性可知，在电路中若能使稳压管始终工作在稳压区内，即：使稳压管的电流IZ满足条件：IZmin≤IZ≤IZmax,则输出电压UO基本上保持不变，约为UZ。uiIZminIZmaxUZ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R必不可少，其作用是限流和电压、电流补偿。30~220VRL+-UORDZ+-UIIZIZIR通过对电路分析容易得到关系式：ORIUUUOZRIII1、稳压管稳压电路的工作原理当电网电压变化时：RRZOIUIIUUOU以上过程是利用关系中，使，从而实现UO的稳定。ORIUUUIRUU31当负载发生变化时：不变不变OROZRZOLUIIIIIURROII~220VRL+-UORDZ+-UIIZIZIR以上过程是利用关系中，使，使IR基本不变而实现UO的稳定。OZIIOZRIII322、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Sr、输出电阻RO、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。Sr定义为：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。常数LRIIOOUUUUSSr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。33RO定义为：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。常数IUOOOIURRO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。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，rz为稳压管的动态电阻。+-UIUO+-IZIODZRLR限流电阻IR+-UIUO+-RLRrz34脉动系数Sr：∴Sr=(ΔUO/ΔUI)(UI/UO)+-UIUO+-RLRrz输出电阻RO：RO=R//rz≈rzzzLzLzIOrRrR//rRR//rUU(Rrz)OIzzUUrRr(Rrz)另外，用电网电压波动±10%时UO的变化量ΔUO作为衡量指标，称为电压调整率。用IO从0变到额定值时，UO的变化量作为衡量指标，称为电流调整率。353、稳压管稳压电路的参数选择首先应确定输出电压UO，输出电流范围Iomin、Iomax（或RLmax、RLmin），输入电压UI波动范围（一般为±10%）等，据此选择整流、滤波、稳压元件参数。（1）UI的选择根据经验，一般选择UI=（2~3）UO确定Ii：该电流的选择原则为IiIomax。36（2）稳压管的选择UZ=UOIZM－IZIomax－IominIZM≥Iomax+IZ（3）限流电阻的选择由ORZZIRIIIRUUI得ZLminZZIminIRURUULminZZZIminmax/RUIUURZMLmaxZZImaxIRURUULmaxZZMZImaxmin/RUIUURmax2RmaxRRIP限流电阻的功率：（空载时）37输出电流小，输出电压不可调节；结构简单、方便，使用元件少；适用于IO较小，UO不