無(wú)源濾波器的原理，和無(wú)源濾波器電路設(shè)計(jì)詳細(xì)解析

　　LC濾波器也稱為無(wú)源濾波器，是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置。LC濾波器之所以稱為無(wú)源濾波器，顧名思義，就是該裝置不需要額外提供電源。LC濾波器一般是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外，還兼顧無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?/p>

　　無(wú)源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對(duì)主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無(wú)源濾波器。

　　LC濾波器的適用場(chǎng)合

　　無(wú)源LC電路不易集成，通常電源中整流后的濾波電路均采用無(wú)源電路，且在大電流負(fù)載時(shí)應(yīng)采用LC電路。

　　有源濾波器適用場(chǎng)合

　　有源濾波器電路不適于高壓大電流的負(fù)載，只適用于信號(hào)處理，濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。

　　經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)富立葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。

　　電容濾波電路/電感濾波電路作用原理

　　整流電路的輸出電壓不是純粹的直流，從示波器觀察整流電路的輸出，與直流相差很大，波形中含有較大的脈動(dòng)成分，稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來(lái)濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓。

　　常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類。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、LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來(lái)表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。

　　脈動(dòng)系數(shù)（S）=輸出電壓交流分量的基波最大值／輸出電壓的直流分量

　　半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S=1．57，全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S≈O．67。對(duì)于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后，其脈動(dòng)系數(shù)S=1／（4（RLC／T-1）。（T為整流輸出的直流脈動(dòng)電壓的周期。）

　　電阻濾波電路

　　RC-π型濾波電路，實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級(jí)RC濾波電路組成的。如圖1（B）RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動(dòng)系數(shù)，則輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數(shù)S=（1/ωC2R）S。

　　由分析可知，電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端，最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下，R愈大，C2愈大，則脈動(dòng)系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時(shí)，電阻上的直流壓降會(huì)增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C2的電容量，又會(huì)增大電容器的體積和重量，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也不現(xiàn)實(shí)。這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場(chǎng)合。

　　電感濾波電路

　　根據(jù)電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖1所示。因?yàn)殡娙萜鰿對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以C并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。

　　（A）電容濾波

　?。˙）C-R-C或RC-π型電阻濾波脈動(dòng)系數(shù)S=（1/ωC2R‘）S’

　?。–）L-C電感濾波

　?。―）π型濾波或叫C-L-C濾波

　　圖1無(wú)源濾波電路的基本形式

　　并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時(shí)，給電容器充電，可把部分能量存儲(chǔ)在電容器中。而當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)。經(jīng)過(guò)濾波電路向負(fù)載放電，負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。若采用電感濾波，當(dāng)輸入電壓增高時(shí)，與負(fù)載串聯(lián)的電感L中的電流增加，因此電感L將存儲(chǔ)部分磁場(chǎng)能量，當(dāng)電流減小時(shí)，又將能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用。

　　利用儲(chǔ)能元件電感器L的電流不能突變的特點(diǎn)，在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)一個(gè)電感，使輸出電流波形較為平滑。因?yàn)殡姼袑?duì)直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點(diǎn)是體積大，成本高。

　　橋式整流電感濾波電路如圖2所示。電感濾波的波形圖如圖2所示。根據(jù)電感的特點(diǎn)，當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時(shí)，L中將感應(yīng)出一個(gè)反電勢(shì)，使整流管的導(dǎo)電角增大，其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。

　　圖2電感濾波電路

　　在橋式整流電路中，當(dāng)u2正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)電，電感中的電流將滯后u2不到90°。當(dāng)u2超過(guò)90°后開(kāi)始下降，電感上的反電勢(shì)有助于D1、D3繼續(xù)導(dǎo)電。當(dāng)u2處于負(fù)半周時(shí)，D2、D4導(dǎo)電，變壓器副邊電壓全部加到D1、D3兩端，致使D1、D3反偏而截止，此時(shí)，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。由于橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個(gè)二極管D1、D3；D2、D4的導(dǎo)電角θ都是180°，這一點(diǎn)與電容濾波電路不同。

　　圖3電感濾波電路波形圖

　　已知橋式整流電路二極管的導(dǎo)通角是180°，整流輸出電壓是半個(gè)半個(gè)正弦波，其平均值約為。電感濾波電路，二極管的導(dǎo)通角也是180°，當(dāng)忽略電感器L的電阻時(shí)，負(fù)載上輸出的電壓平均值也是。如果考慮濾波電感的直流電阻R，則電感濾波電路輸出的電壓平均值為

　　要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大，即RL不能太大，應(yīng)滿足wL》》RL，此時(shí)IO（AV）可用下式計(jì)算

　　由于電感的直流電阻小，交流阻抗很大，因此直流分量經(jīng)過(guò)電感后的損失很小，但是對(duì)于交流分量，在wL和上分壓后，很大一部分交流分量降落在電感上，因而降低了輸出電壓中的脈動(dòng)成分。電感L愈大，RL愈小，則濾波效果愈好，所以電感濾波適用于負(fù)載電流比較大且變化比較大的場(chǎng)合。采用電感濾波以后，延長(zhǎng)了整流管的導(dǎo)電角，從而避免了過(guò)大的沖擊電流。

　　電容濾波原理詳解

　　1．空載時(shí)的情況

　　當(dāng)電路采用電容濾波，輸出端空載，如圖4（a）所示，設(shè)初始時(shí)電容電壓uC為零。接入電源后，當(dāng)u2在正半周時(shí)，通過(guò)D1、D3向電容器C充電；當(dāng)在u2的負(fù)半周時(shí)，通過(guò)D2、D4向電容器C充電，充電時(shí)間常數(shù)為

　?。╝）電路圖（b）波形圖

　　圖4空載時(shí)橋式整流電容濾波電路

　　式中包括變壓器副邊繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮?。由于一般很小，電容器很快就充到交流電壓u2的最大值，如波形圖2（b）的時(shí)刻。此后，u2開(kāi)始下降，由于電路輸出端沒(méi)接負(fù)載，電容器沒(méi)有放電回路，所以電容電壓值uC不變，此時(shí)，uC＞u2，二極管兩端承受反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，電路的輸出電壓，電路輸出維持一個(gè)恒定值。實(shí)際上電路總要帶一定的負(fù)載，有負(fù)載的情況如下。

　　2．帶載時(shí)的情況

　　圖5給出了電容濾波電路在帶電阻負(fù)載后的工作情況。接通交流電源后，二極管導(dǎo)通，整流電源同時(shí)向電容充電和向負(fù)載提供電流，輸出電壓的波形是正弦形。在時(shí)刻，即達(dá)到u290°峰值時(shí)，u2開(kāi)始以正弦規(guī)律下降，此時(shí)二極管是否關(guān)斷，取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。

　　先設(shè)達(dá)到90°后，二極管關(guān)斷，那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電，從而維持一定的負(fù)載電流。但是90°后指數(shù)規(guī)律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超過(guò)90°以后有一段時(shí)間二極管仍然承受正向電壓，二極管導(dǎo)通。隨著u2的下降，正弦波的下降速率越來(lái)越快，uC的下降速率越來(lái)越慢。所以在超過(guò)90°后的某一點(diǎn)，例如圖5（b）中的t2時(shí)刻，二極管開(kāi)始承受反向電壓，二極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負(fù)載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流，直至下一個(gè)半周的正弦波來(lái)到，u2再次超過(guò)uC，如圖5（b）中的t3時(shí)刻，二極管重又導(dǎo)電。

　　以上過(guò)程電容器的放電時(shí)間常數(shù)為

　　電容濾波一般負(fù)載電流較小，可以滿足td較大的條件，所以輸出電壓波形的放電段比較平緩，紋波較小，輸出脈動(dòng)系數(shù)S小，輸出平均電壓UO（AV）大，具有較好的濾波特性。

　?。╝）電路圖（b）波形圖

　　圖5帶載時(shí)橋式整流濾波電路

　　以上濾波電路都有一個(gè)共性，那就是需要很大的電容容量才能滿足要求，這樣一來(lái)大容量電容在加電瞬間很有很大的短路電流，這個(gè)電流對(duì)整流二極管，變壓器沖擊很大，所以現(xiàn)在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC熱敏電阻來(lái)維持平衡，因NTC熱敏電阻在常溫下電阻很大，加電后隨著溫度升高，電阻阻值迅速減小，這個(gè)電路叫軟起動(dòng)電路。這種電路缺點(diǎn)是：斷電后，在熱時(shí)間常數(shù)內(nèi)，NTC熱敏電阻沒(méi)有恢復(fù)到零功率電阻值，所以不宜頻繁的開(kāi)啟。

　　為什么整流后加上濾波電容在不帶負(fù)載時(shí)電壓為何升高？這是因?yàn)榧由蠟V波測(cè)得的電壓是含有脈動(dòng)成分的峰值電壓，加上負(fù)載后就是平均值，計(jì)算：峰值電壓=1.414×理論輸出電壓有源濾波-電子電路濾波。電阻濾波本身有很多矛盾，電感濾波成本又高，故一般線路常采用有源濾波電路，電路如圖6。它是由C1、R、C2組成的π型RC濾波電路與有源器件晶體管T組成的射極輸出器連接而成的電路。由圖6可知，流過(guò)R的電流IR=IE／（1+β）=IRL／（1+β）。流過(guò)電阻R的電流僅為負(fù)載電流的1/（1+β）．所以可以采用較大的R，與C2配合以獲得較好的濾波效果，以使C2兩端的電壓的脈動(dòng)成分減小，輸出電壓和C2兩端的電壓基本相等，因此輸出電壓的脈動(dòng)成分也得到了削減。

　　從RL負(fù)載電阻兩端看，基極回路的濾波元件R、C2折合到射極回路，相當(dāng)于R減小了（1+β）倍，而C2增大了（1+β）倍。這樣所需的電容C2只是一般RCπ型濾波器所需電容的1／β，比如晶體管的直流放大系數(shù)β=50，如果用一般RCπ型濾波器所需電容容量為1000μF，如采用電子濾波器，那么電容只需要20μF就滿足要求了。采用此電路可以選擇較大的電阻和較小的電容而達(dá)到同樣的濾波效果，因此被廣泛地用于一些小型電子設(shè)備的電源之中。