濾波電路在直流穩壓電路中的應用

郭美莉++王芳

摘 要 隨著電子電氣技術的不斷發展，電子電氣設備也已經變得越來越普遍，成為生活中必不可少的部分。對于各種用電設備而言，直流穩壓電路幾乎都是不可缺少的基礎，為設備提供著必須的能量支持。作為直流穩壓電路的重要組成部分，濾波電路能夠有效改善輸出電壓周期性變化的程度。電容濾波及電感濾波是最常見的整流濾波電路，電容濾波電路將電容與負載電阻并聯，通過電容電壓不能突變的特點實現對負載充電；電感濾波電路將電感與負載電阻串聯，通過電感電流不能突變的特點實現對負載充電。

【關鍵詞】直流穩壓電路 濾波電路 電容濾波 電感濾波

電子設備的出現為現代生活帶來了極大的便利，人們在生活中處處離不開它的存在，電子設備的使用需要有能源供應，這就要求有一個穩定的電路來提供。現代社會中的各種電子設備都需要在電源電路提供穩定能源的情況下工作。當然因為電子設備的不同所設計的電源電路也存在著不同的樣式與復雜程度。比如說超級計算機就有一套復雜的電源電路系統，通過這個電源電路的能源供應，超級計算機的各種功能才能持續穩定的工作；便攜式計算機的電源電路則相對簡單，只需要一個電池電路即可解決。由此可以看出電子設備工作的基礎就是電源電路的設計制作，電源電路不符合要求電子設備就不能正常工作。持續穩定、滿足負載需求是電源電路最基本的要求，直流穩壓電路作為電源電路中最基本的電路在電源技術中占有十分重要的地位。

直流穩壓電路可以有多種實現形式，一般是由交流電源、變壓器、整流、濾波和穩壓電路幾部分組成。其中，濾波電路能夠最大限度的減少直流電壓中交流成分的脈動過程，使得輸出電壓紋波更小，電壓更穩定。

1 濾波電路的概念及分類

濾波電路就是利用電抗性元件的特性，對交流、直流阻抗的不同將直流輸出電壓中的交流脈動成分過濾掉后得到穩定的直流電壓。電容濾波和電感濾波是最常用的濾波電路。

電容濾波電路是指在負載電阻上并聯一個濾波電容C的電路。電容器C具有對直流開路，對交流阻抗小的特性，且電壓不能突變，所以只能并聯在電路中。直流電流從負載流過，交流電流則從電容流過，從而達到濾波的目的。由于電容的儲能作用，使得輸出波形比較平滑。電容放電的時間τ=RLC越大，放電過程越慢，輸出電壓中脈動成分越少，濾波效果越好，輸出的電壓也更加平穩。

電感濾波電路是利用電感器L的特性阻止脈動的交流而通過穩定的直流來進行濾波，在電路中將電感L和負載R串聯在一起即可。實質是電感L具有對直流阻抗小，對交流阻抗大的特性，所以要與負載串聯使用。通過濾波電路后，電路中的直流分量被保留下來，交流分量被過濾掉，這樣就改變了交直流成分在電路中的存在比例，降低了電路輸出的紋波系數，得到了穩定的直流電壓。從能量的觀點來看，電感器L是一種儲能元件，當電路中的電流增大時就把這部分增大的能量儲存起來，待電流減小時再將其釋放出來，這樣使得負載得到一個平滑穩定的電流。但是電感濾波電路也有它的缺點，由于其存在鐵心，因此就顯得體積較大，同時容易引起電磁干擾，所以一般只應用于低電壓、大電流的環境。

2 帶電容濾波的直流穩壓電路

2.1 電容濾波的工作原理

帶電容濾波的直流穩壓電路如圖1所示。工作原理如下：當在U2的正半周時，導通D1和D3二極管，電路中二極管的正向壓降忽略，這時Uo=U2，輸出電壓Uo一方面給電容C充電，另一方面施加在負載R上，當U2達到峰值后，開始下降，當U2小于電容電壓時，二極管D1和D3截止；隨后，電容C以指數規律經R放電，電容上的電壓下降；當在U2的負半周時，導通D2和D3二極管，電路中二極管的正向壓降忽略，此時Uo=U2，這個電壓一方面給電容C充電，另一方面施加在負載R上，當U2達到峰值后，開始下降，當U2小于電容電壓時，二極管D2和D4截止；隨后，電容C以指數規律經R放電，電容C上的電壓下降。經過電容的不斷充放電，輸出電壓的脈動就得到降低，電壓平均值也有所提高。

2.2 濾波電容的選取

濾波電容選取直接關系著直流穩壓電路輸出波形的優劣，如果濾波電容選取合適，則輸出電壓的脈動程度就會大大減小，反之，則輸出電壓無法達到電路要求。

根據經驗，濾波電容的選取一般遵循以下原則。當電容值在10pF左右，能夠用來消除高頻的干擾信號，當電容值在0.1uF左右，能夠有效消除低頻的紋波干擾，同時對于還具有很好的穩壓效果；當然，在選取濾波電容時還取決于所涉及PCB上的主要工作頻率和可能對系統造成影響的諧波頻率，當PCB的主工作頻率較低時，可以設置兩個電容，其中，一個用來濾除紋波，另一個用來濾除高頻信號。如果電路中有比較大的瞬時電流流通時，一般會多加一個電容值比較大的鉭電容。

2.3 利用電容濾波存在的問題

（1）一般來說，濾波電容都是電解電容，電容值都比較大，在使用過程中，需要特別注意電容的正負極性連接問題，保證正極性接在電位較高的點，負極性接在電位較低的點，假若極性接錯，容易導致電容擊穿或爆裂。

（2）初始時刻，電容兩端所加電壓為0，通電后，經過整流二極管，達到電源給電容充電的效果。在電源接通的時刻，二極管中流過的電流一般能夠達到額定工作電流的5-7倍，稱之為短路電流，所以在選擇二極管時，應考慮一個較大的裕量。

3 帶電感濾波的直流穩壓電路

帶電感濾波的直流穩壓電路如圖2所示。工作原理如下：當U2處于正半波時， D1和D3上所加為正向電壓，處于導通狀態，此時二極管阻值幾乎為0，可以忽略二極管正向壓降，則有Uo=0.9U2，該電源一部分給電感L充電，另一部分施加于負載R兩端，當U2達到峰值后，開始下降，當U2小于電感電壓時，二極管D1和D3截止；隨后，電感L經R放電， 電感上的電壓逐漸減小；當在U2處于負半波時，D2和D4上所加為正向電壓，處于導通狀態，此時這兩個二極管的阻值非常小，所以能夠忽略二極管正向壓降，此時電源電壓一部分送給電感L充電，另一部分加在負載R兩端，直到U2到達峰值，隨后開始下降，當U2小于電感電壓時，二極管D2和D4截止；隨后，電感經負載R放電， 電感兩端的電壓逐漸下降。正是因為電感這種不斷的充放電過程，才使輸出電壓波動性大大降低，獲得波形十分平緩的輸出波。

由于電感的直流電阻小，交流阻抗比較大，所以當電流中的直流分量流過電感線圈時，能量損失特別小，但是，對于電流中的交流分量則剛好相反，其中較大的那部分都是降落在電感上，所以能夠有效降低輸出電壓中波動的部分。電感的值越大，那么濾波的效果也就越好，因而電感適用于負載電流變化較大的電路。此外，將電感濾波應用于濾波電路中，能夠有效的延長整流管導通角，避免了沖擊電流過大的問題。

4 結束語

通過上述對電容濾波電路、電感濾波電路進行的分析，能夠了解，在電子電氣設備的直流電源整流濾波電路中，對于濾波電容C來說，它的選定具有一定的依據性，一般情況下根據直流輸出電壓，負載R的大小以及對紋波電壓的要求來進行設計選取；對于濾波電感L來說，電感主要是通過限制電流變化，從而穩定輸出電壓。在選取濾波電路過程中，負載電流及沖擊較大的電路中選用電感濾波，電感越大，濾波效果越好。

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作者簡介

郭美莉（1964-），女，湖南省湘潭市人。大學本科學歷。現為湖南電氣職業技術學院講師。主要研究方向為EDA技術與應用，信號處理，檢測技術。

作者單位

湖南電氣職業技術學院 湖南省湘潭市 411101