电容滤波电路及其波形分析

整流电路的输出是单向脉动电压，其中含有直流和交流分量。因此，在整流电路之后，必须加接滤波电路，尽量减小输出电压中的交流分量，使之接近于理想的直流电压。滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图6.3.1所示。

图6.3.1　滤波电路的基本结构

由于电抗元件在电路中有储能作用，与负载并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能将部分能量存储起来，而当电源电压降低时，又能将能量释放出来，使负载电压比较平滑，因此电容C具有滤波作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增大（由电源电压升高引起）时，它将能量存储起来，而当电源供给的电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流比较平滑，因此电感L也有滤波作用。

1.电容滤波电路原理

电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即构成电容滤波电路，如图6.3.2所示。滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。

图6.3.2　桥式整流电容滤波电路

如图6.3.2所示，在这个电路里，要特别注意电容两端的电压对二极管的影响。先分析没有负载RL接入的情况。设电容两端的初始电压为零，u2在正半周，此时a端为正，b端为负，u2通过D1，D3向电容充电；在负半周，a端为负，b端为正，u2通过D2，D4向电容充电。其充电时间常数为：τ=RiC，式中，Ri是变压器次级绕组电阻与二极管正向导通电阻之和。通常Ri很小，电容器很快就充电到变压器次级绕组电压u2的峰值2 U2。由于电容器C无放电回路，故输出电压uO保持恒定。

如果在变压器次级电压u2从零开始上升时接入负载，一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。因为在理想情况下，变压器二次侧无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uC（uL）与u2相等，见图6.3.3（a）中曲线的ab段。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压uC也开始下降，趋势与u2基本相同，见图6.3.3（b）中曲线的bc段。但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定数值后，uC的下降速度小于u2的下降速度，使uC大于u2从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。此后，电容C继续通过RL放电，uC按指数规律缓慢下降，见图6.3.3（a）cd段。

当u2的负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2、D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2、D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降；放电到一定数值时D1、D3变为导通，重复上述过程。

从图6.3.3所示波形可以看出，经滤波后的输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。若考虑变压器内阻和二极管的导通电阻，则uC的波形如图6.3.3（b）所示，阴影部分为整流电路内阻上的压降。

图6.3.3　单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形分析

从以上分析可知，电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，即变压器内阻和二极管的导通电阻之和，其数值很小，因而时间常数很小。电容放电时，回路电阻为RL，放电时间常数为RLC，通常远大于充电的时间常数。因此，滤波效果取决于放电时间。电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如图6.3.4所示。换言之，当滤波电容容量一定时，若负载电阻减小（即负载电流增大），则时间常数RLC减小，放电速度加快，输出电压平均值随即下降，且脉动变大。

图6.3.4　RLC不同时uC的波形

2.参数计算

滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可将图6.3.3（b）所示波形近似为锯齿波，如图6.3.5所示。图中T为电网电压的周期。设整流电路内阻较小而RLC较大，电容每次充电均可达到u2的峰值（即），然后按RLC放电的起始斜率直线下降，经RLC交于横轴，且在T/2处的数值为最小值UOmin，则输出电压平均值为

图6.3.5　电容滤波电路输出电压平均值的分析(www.xing528.com)

同时按相似三角形关系可得

式（6.3.2）表明，当负载开路，即RL=∞时，，当RLC=（3～5）T/2时，

为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=（3～5）T/2的条件。由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为±10%，电容的耐压值应大于。在整流电路中，为获得较好的滤波效果，电容容量应选得更大些。二极管承受的最大反向电压，当考虑电网电压波动10%等因数影响，反向击穿电压应选为。

例6.3.1　单相桥式整流、电容滤波电路如图6.3.2所示。已知交流电源电压为220 V，交流电源频率f =50 Hz，要求直流电压UL=30 V，负载电流IL=50 mA。（1）试求电源变压器二次电压u2的有效值；（2）选择整流二极管及滤波电容器。

解：（1）由式（6.3.3），取UL=1.2U2，则变压器二次电压有效值

（2）选择整流二极管。

流经二极管的平均电流根据ID=（2～3）IL，可算出

二极管承受的最大反向电压，反向击穿电压应为

因此，可选用2CZ54C整流二极管（其允许最大电流IF=500 mA，最大反向电压URM=100 V），也可选用硅桥堆QL51-I型（IF=500 mA，URM=100 V）。

（3）选择滤波电容器负载电阻。

由于τd=RLC ≥（3-5）T/2，取，由此得滤波电容

若考虑电网电压波动±10%，则电容器承受的最高电压为

故可选用标称值为100 μF/50 V的电解电容器。