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。
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