lc濾波器原理介紹及簡單設(shè)計(jì)

　　lc濾波器

　　LC濾波器，又稱無源濾波器，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源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波（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源濾波器。

　　工作原理

　　無源濾波器由LC等被動元件組成，將其設(shè)計(jì)為某頻率下極低阻抗，對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道；而有源濾波器由電力電子元件和DSP等構(gòu)成的電能變換設(shè)備，檢測負(fù)載諧波電流并主動提供對應(yīng)的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償后的源電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動式電流源輸出。

　　LC濾波電路

　　LC濾波器也稱為無源濾波器，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，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?/p>

　　無源濾波器，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源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波（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源濾波器。 LC濾波器的適用場合

　　無源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，只適用于信號處理， 濾波是信號處理中的一個(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，都可以被看成是由無限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，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，需要利用具有儲能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得直流電壓。

　　常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無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。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數(shù)來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。 脈動系數(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系數(shù)為S=1．57，全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動系數(shù)S≈O．67。對于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后，其脈動系數(shù)S=1／（4（RLC／T-1）。（T為整流輸出的直流脈動電壓的周期。）

　　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C1兩端電壓的脈動系數(shù)，則輸出電壓兩端的脈動系數(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，又會增大電容器的體積和重量，實(shí)現(xiàn)起來也不現(xiàn)實(shí)。這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場合。

　　電感濾波電路

　　根據(jù)電抗性元件對交、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)殡娙萜鰿對直流開路，對交流阻抗小，所以C并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。

　　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，就可以把存儲的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負(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將存儲部分磁場能量，當(dāng)電流減小時(shí)，又將能量釋放出來，使負(fù)載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用。

　　利用儲能元件電感器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χ绷鞯淖杩剐?，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，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。

　　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90°后開始下降，電感上的反電勢有助于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。

　　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)過電感后的損失很小，但是對于交流分量，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合。采用電感濾波以后，延長了整流管的導(dǎo)電角，從而避免了過大的沖擊電流。

　　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D1、D3向電容器C充電；當(dāng)在u2的負(fù)半周時(shí)，通過D2、D4向電容器C充電，充電時(shí)間常數(shù)為

　　式中 包括變壓器副邊繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮琛Ｓ捎?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開始下降，由于電路輸出端沒接負(fù)載，電容器沒有放電回路，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u2 90°峰值時(shí)，u2開始以正弦規(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越快，uC 的下降速率越來越慢。所以在超過90°后的某一點(diǎn)，例如圖5（b）中的t2時(shí)刻，二極管開始承受反向電壓，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)半周的正弦波來到，u2再次超過uC，如圖5（b）中的t3時(shí)刻，二極管重又導(dǎo)電。

　　以上過程電容器的放電時(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，輸出脈動系數(shù)S小，輸出平均電壓UO（AV）大，具有較好的濾波特性。

　　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熱敏電阻沒有恢復(fù)到零功率電阻值，所以不宜頻繁的開啟。 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波測得的電壓是含有脈動成分的峰值電壓，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R的電流IR=IE／（1+β）=IRL／（1+β）。流過電阻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。