如何使用纹波系数和电容滤波来过滤电力噪声？

通过1.3.2节的实际操作1和实际操作2可以知道，交流电流经过整流之后会有很大的交流成分，半波整流的交流分量始终大于直流分量，这种广义的直流并不符合绝大多数的电子设备使用需求。广义的直流必须经过滤波环节减少交流分量，使其达到技术指标要求，才能供给电子设备。

直流电中的交流成分也称为纹波，纹波有很多危害，会在用电设备中产生不期望的谐波，降低电源的效率，有可能产生浪涌电压或电流，导致用电设备烧毁；干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；带来噪声干扰，使图像、音响设备不能正常工作等。

为了衡量电流中交流成分的多少，我们提出一个技术指标——波纹系数。波纹系数是在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比，即

抑制纹波、降低纹波系数的常见方法，有以下几种。

（1）在成本、体积允许的情况下，尽可能采用全波或桥式整流电路；

（2）加大滤波电路中电容容量，条件许可时，使用效果更好的LC滤波电路；

（3）使用效果好的稳压电路，对纹波抑制要求很高的地方使用模拟线性稳压电源而不使用开关电源；

（4）合理布线。

图1.32所示的是二极管半波整流后采用电容滤波的电路原理图，滤波的核心元件是C1，负载电阻是R1。一般来讲，滤波电容容量越大，滤波效果越好；负载电阻越大，滤波效果也越好，反之亦然。其实滤波效果取决于滤波电容C1和负载R1的乘积，一般取

式中，R为线路串联总电阻；C为并联总电容；RC为时间常数，具有时间的量纲，在电阻单位为欧姆、电容单位为法拉的情况下，乘积结果的单位为秒；T为电压波动的周期，周期是频率的倒数。

我国电网一律采用50Hz交流电，半波整流后仍然为50Hz，对应的周期是0.02s，则半波整流时公式为

RC≥（0.03～0.05）

桥式整流时公式为

RC≥（0.015～0.025）

实际在对电源滤波电容选择时可以尽量选择更大一些的，滤波效果会更好。需要注意的是太大的电容，尤其是大的电解电容对高频干扰的滤波效果不理想，为了对高频干扰滤波，经常需要再并联微法级或纳法级的瓷片电容，有时候还要增加磁环或磁珠。

电容滤波的效果，如图1.33所示。

图1.32　半波整流电容滤波电路(www.xing528.com)

图1.33　电容滤波效果

可以用能量的存储和释放来解释电容滤波现象。当通过整流二极管的电压高于电容原有电压时，电容充电，进行能量的存储，同时电压逐渐上升；当通过整流二极管的电压低于电容电压时，整流二极管截止，电容放电，原来存储的能量释放，随着时间的延迟，电压逐渐缓慢降低，直到下一个充电周期的到来。负载电阻的阻值越大，放电的电流越小，能量释放过程越漫长，如果电容和电阻都非常大的话，电压降低得非常缓慢。

在空载情况下，负载电阻相当于无穷大，输出电流为0，则输出电压为滤波前的电压峰值。不管半波整流还是桥式整流电路，若整流之后电压有效值为U2、峰值为Um，则增加电容进行滤波后输出电压Uo为

带上负载后，随着输出电流的增加，交流分量占比增加，直流分量有所下降，通常在电流不太大的情况下，桥式整流电路可以按照下式进行估算：

Uo≈1.2　U2

半波整流电路滤波后输出电压略低一些：

Uo≈（1～1.1）U2

实际操作1：电容滤波电路的仿真

（1）用Multisim软件绘制电路图，如图1.34所示。

（2）保持R1不变，改变C1大小，用示波器观察输出波形的变化；保持C1不变，改变R1大小，用示波器观察输出波形的变化。

（3）将图1.34所示中的示波器换成万用表，测量纹波系数，如图1.35所示。分别改变C1和R1的大小进行测量，分析C1和R1大小对纹波系数的影响。

图1.34　电容滤波电路

图1.35　测量纹波系数

（4）桥式整流的电容滤波电路，如图1.36所示，分别改变R1、C1的大小，用示波器观察波形变化；将示波器换成万用表，测量其波纹系数并与半波整流测量结果进行对比。

图1.36　桥式整流的电容滤波