整流器电路的电压输出是单向脉冲电压,不能直接用于电子电路。因此,有必要对输出电压进行滤波,消除电压中的交流分量,并将其转换为直流电,用于电子电路。滤波器电路主要使用具有交流特殊阻抗特性的器件,如电容器和电感器。本文分析了不同形式的滤波电路。
滤波电路主要有下列几种:电容滤波电路,这是最基本的滤波电路;π型RC 滤波电路;π型LC滤波电路;电子滤波器电路。下面分别介绍这几种滤波的工作原理。
一、滤波原理
1、单向脉动性直流电压的特点
下图(左)所示是一种单向脉动直流波形。从图中可以看出,电压的方向始终是一致的,但电压的幅度是变化的。也就是说,在时间线上,电压显示出周期性变化,因此它会脉冲。但根据波形分解原理,该电压可以分解为直流电压和一系列不同频率的交流电压,如图(右)所示,其中虚线表示单向脉动直流电压U0中的直流分量,而U0的交流分量用实线表示。
2、电容滤波原理
根据上述分析,由于直流电压的单向脉动,它可以分为两部分:交流电和直流电。在电源电路滤波电路中,可以通过使用电容器的“隔直通交”和储能特性,或使用电感器的“隔交通直”来滤除电压中的交流分量。
下图显示了电容滤波的原理。图(a)显示了整流器电路的输出电路。交流电压经电路整流后,输出为单向脉动直流电,在电路中为U0。图(b)显示了电容器滤波电路。由于电容器C1对应于直流的开路,整流器电路输出的直流电压不能通过C1接地,只能施加到负载RL,如RL图所示。对于通过整流器电路输出的交流分量,因C1容量较大,容抗小,交流分量通过C1流到地端,而不能加到负载RL。这样,通过对电容器C1进行滤波,从单向脉冲直流电流中提取所需的直流电压+U。滤波电容器C1的容量越大,其对交流分量的容抗越小,导致负载RL上的交流成分越小,滤波效果也就越好。
3、电感滤波原理
如下图显示了电感滤波的原理。由于电感器L1对直流电相当于通路,因此从整流器电路输出的DC电压被直接施加到负载RL。对于整流电路输出中的交流成分,由于L1具有较大的电感值,它会对这些交流信号产生较高的感抗,阻止交流电通过C1流向负载RL。这样,通过电感L1进行滤波,从单向脉冲直流电流中提取所需的直流电压+U。一般来说,滤波电感器L1的电感越大,交流分量的感抗就越大,导致负载RL上的交流分量越小,滤波效果越好,但直流电阻也会增大。
二、π型RC滤波电路
π型滤波是一种二阶滤波器,可以去除不需要的谐波,在直流电源中是减小电流的脉动,使电流更加平滑。RC滤波器电路由两个滤波电容器和一个滤波电阻器组成。第一级电容器和前一级的输出阻抗形成第一级滤波,可以暂时滤除交流分量。由于电容器对交流纹波仍有阻抗,且前一级的阻抗相对较小,因此在第一级滤波后通常仍有一定的残留交流分量。经过由R和次级电容器组成的次级滤波后,可以再次减少纹波。
下图为一个简单的π型RC滤波电路。电路中的C1、C2和C3是三个滤波电容,R1和R2是滤波电阻,C1、R1和C2构成第一节π型的RC滤波电路,C2、R2和C3构成第二节π型RC滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同希腊字母π和采用了电阻器、电容器,所以称为π型RC滤波电路。
三、π型 LC滤波电路
π型LC滤波电路与π型RC滤波电路基本相同。该电路使用滤波电感替代滤波电阻,原因是滤波电阻对直流和交流电流的阻抗相同,而滤波电感则对交流电流具有较高的感抗,但对直流电流的阻抗相对较小。这种方法能够在不降低直流输出电压的前提下,显著提升滤波效果。
在下图的电路中,通过整流电路输出的单向脉冲直流电压首先通过电容器C1进行滤波,去除大部分交流分量,然后添加到L1和C2滤波电路中。对于交流分量而言,L1对它有较大的感抗,导致L1的交流电压降较大,负载的交流分量较小。对于直流电,由于L1不呈现感抗,相当于通路,同时,滤波器电感使用较粗的线径和较小的直流电阻器,这基本上不会导致直流电压的电压降。因此,直流输出电压相对较高,这是使用电感滤波器的主要优点。
审核编辑 黄宇
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