10.3.1　电容滤波电路

10.3.1.1　滤波原理

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10.3.2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。

如图10.3.2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（上端）为正、b端（下端）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

图10.3.2　桥式整流电容滤波电路

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的峰值由于电容器C无放电回路，故输出电压uO保持恒定

图10.3.3　单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形分析

如果在变压器次级电压u2从零开始上升时接入负载（开关s合上），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10.3.3（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（a）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10.3.3（a）中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10.3.3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（b）所示，阴影部分为整流电路内阻上的压降。

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10.3.4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10.3.4　RLC不同时uO的波形

图10.3.5　电容滤波电路输出电压平均值的分析

滤波电路输出电压波形难以用解析式来描述，近似估算时，可将图10.3.3（b）所示波形近似为锯齿波，如图10.3.5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

同时按相似三角形关系可得

因而

式（10.3.2）表明，当负载开路，即RL= ∞时，

当RLC为3～5倍T/2时，有

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，为了获得较好的滤波效果，电容容量应选得更大些。(www.xing528.com)

10.3.1.2　脉动系数

在图10.3.5所示的近似波形中，交流分量的基波峰-峰值为（UOmax-UOmin），根据式（10.3.1）可得基波峰值为

因此，脉动系数为

应当指出，由于图10.3.4所示锯齿波所含的交流分量大于滤波电路输出电压实际的交流分量，因而根据式（10.3.4）计算出的脉动系数大于实际数值。

10.3.1.3　整流二极管的导通角

在未加滤波电容之前，无论是哪种整流电路中的二极管均有半个周期处于导通状态，也称二极管的导通角θ等于π。加滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此，每只二极管的导通角都小于π。而且，RLC的值愈大，滤波效果愈好，导通角θ将愈小。由于电容滤波后输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减小，所以整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电，如图10.3.6所示。这对二极管的寿命很不利，所以必须选用较大容量的整流二极管，通常应选择其最大整流平均电流IF大于负载电流的2～3倍。

图10.3.6　电容滤波电路中二极管的电流和导通角

负载电压随负载电流的增大而减小。即电容滤波电路的输出外特性较差，故适用于负载电压较高、负载变动不大的场合。

例10.3.1　单相桥式整流电容滤波电路如图10.3.2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。试求电源变压器二次电压u2的有效值；选择整流二极管及滤波电容器。

解：（1）变压器二次电压有效值。

由式（10.3.3）取UL=1.2U2，则

U2=UL/1.2=25 V

（2）选择整流二极管。

根据ID=(2～3)IL，可算出流经二极管的平均电流为

ID=(2～3)×50 mA=100～150 mA

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，取由此得滤波电容为

若考虑电网电压波动+10%，则电容器承受的最高电压为

因此，可选用标称值为100 μF/50 V的电解电容器。