整流濾波電容的設(shè)計(jì)與選用方法研究

摘要：整流濾波電路是直流穩(wěn)壓電源設(shè)備中常用電路，其中濾波電容的設(shè)計(jì)選取，直接影響到紋波電壓的大小，關(guān)系到輸出直流電壓的質(zhì)量。本文通過(guò)在設(shè)定條件下，依據(jù)整流濾波電路原理，闡述了紋渡電壓產(chǎn)生的過(guò)程，給出了一種濾波電容設(shè)計(jì)與選取計(jì)算方法，建立了電容選取的計(jì)算模型，描繪出了紋波電壓、負(fù)載電阻與濾波電容之間關(guān)系曲線(xiàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其科學(xué)性，有利于濾波電容的設(shè)計(jì)與選用。
關(guān)鍵詞：整流電路；濾波電路；濾波電容；紋波電壓

整流濾波電路是直流穩(wěn)壓電源設(shè)備原理電路的重要組成部分，具有把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的功能作用。在整流濾波電路中有兩部分電路組成，如圖1所示：一是整流電路，其作用是把正弦波交流電壓(如市電220 V／50 Hz)轉(zhuǎn)變成單向的脈動(dòng)電壓；二是濾波電路，是將單向脈動(dòng)電壓通過(guò)濾波形成直流電壓。整流濾波電路輸出的直流電壓，是直流穩(wěn)壓電源設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的前提。如果整流濾波電路輸出的直流電壓不能滿(mǎn)足穩(wěn)壓電路輸出的要求，將導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源設(shè)備不能穩(wěn)壓輸出。所以，濾波電路的設(shè)計(jì)，特別是濾波電容的設(shè)計(jì)與選用顯得更加重要。
整流濾波用的電解電容的選取似乎早有定論。即應(yīng)根據(jù)允許的紋波電壓來(lái)選取容值；對(duì)于有維持時(shí)間要求的系統(tǒng)，單相整流時(shí)一般取1～2μF／W。對(duì)于濾波電容C的選取，使用經(jīng)驗(yàn)公式RC≥(3：5)T／2，并認(rèn)為濾波電容C越大越好。實(shí)驗(yàn)證明這些說(shuō)法，對(duì)于直流穩(wěn)壓電源設(shè)備中整流濾波電容的設(shè)計(jì)與選取是不科學(xué)的。因?yàn)?，濾波電容的容量大小直接影響整流濾波電路輸出的紋波電壓，應(yīng)根據(jù)對(duì)紋波電壓的要求及
其直流穩(wěn)壓電源設(shè)備輸出直流電壓指標(biāo)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)與選取。
在圖1的濾波電路中，濾波電容C，具有隔直流、通交流的作用，即濾波作用。把整流后的電壓中多次諧波濾除，輸出“純凈”的直流電壓。因此，電容C的設(shè)計(jì)選擇，直接關(guān)系到濾波電路輸出直流電壓的質(zhì)量。文中結(jié)合穩(wěn)壓電路的要求，針對(duì)整流濾波電路，就濾波電容C的設(shè)計(jì)與選取展開(kāi)了分析與研究。

1 濾波電容的設(shè)計(jì)
整流濾波電路的原理如圖1所示，主要有D1～D4二極管、濾波電容C和負(fù)載電阻RFZ組成。如果負(fù)載電阻RFZ等效為電源設(shè)備的穩(wěn)壓電路，就對(duì)濾波電路提出指標(biāo)要求。在整流電路輸出電壓、功率保證的情況下，主要是對(duì)紋波電壓的要求。紋波電壓是指濾波電路、穩(wěn)壓電路輸出直流電壓含有的波動(dòng)電壓，如圖2所示。如果濾波電路輸出的紋波電壓過(guò)大，將導(dǎo)致穩(wěn)壓電路輸出紋波電壓增大，甚至難以穩(wěn)壓。紋波電壓是由整流輸出的單相脈動(dòng)電壓對(duì)濾波電容C的充電、放電過(guò)程產(chǎn)生的；在負(fù)載RFZ不變的條件下，電容C的大小決定著紋波電壓的高低?？梢?jiàn)，電容C的設(shè)計(jì)，應(yīng)依據(jù)紋波電壓的要求來(lái)設(shè)計(jì)。

1．1 濾波電容充電、放電過(guò)程
針對(duì)圖1濾波電路，用示波器測(cè)試的波形圖分析C的充電、放電過(guò)程更為直觀(guān)。當(dāng)K斷開(kāi)時(shí)，全波整流電路輸出的電壓波形，即為濾波電路的輸入電壓ui，如圖2所示，是把輸入的正弦波電壓Ui(有效值)圖2的①轉(zhuǎn)變成頻率為100 Hz的單向脈動(dòng)電壓，如圖2的②。當(dāng)K接通時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓為U0，并疊加有紋波電壓△U，如圖2的③。如果圖2中的②和③重疊后，在示波器上就會(huì)出現(xiàn)圖2中的④波形圖。從圖2的④中就可分析出電容C的充電與放電過(guò)程。
圖2的④，為圖1電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出的Uc電壓波形，△U是紋波電壓．其幅度決定于C和負(fù)載RFZ的大小。如圖2所示，當(dāng)處在0～t1，U0= Uc>ui，C處于放電過(guò)程，D1～D4均處于截止?fàn)顟B(tài)；在t1～t2，ui≥U0=Uc，C處于充電過(guò)程，D2、D3處于導(dǎo)通狀態(tài)，D1、D4處于截止?fàn)顟B(tài)；在t2～t3，ui≤U0=Uc，C隨ui規(guī)律放電，仍存在D2、D3處于導(dǎo)通狀態(tài)，D1、D4處于截止?fàn)顟B(tài)；在t3～t4，uiU0=Uc，C處于放電過(guò)程，D1～D4處于截止?fàn)顟B(tài)。從t4后開(kāi)始，其過(guò)程同t1～t4?？梢钥闯鰪膖1～t3期間，是電容C充電過(guò)程，紋波電壓的變化規(guī)律和ui(ui=U0=Uc)相同；在t3～t4期間，Uc按指數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù)為τ=RFZC。
1．2 濾波電容的計(jì)算方法與模型
從電容C充放電過(guò)程可以看出，在t1～t2期間，是電容C充電過(guò)程，紋波電壓△U的變化規(guī)律和ui基本相同。在t3～t4期間，純粹是電容C放電過(guò)程。其計(jì)算模型為：

結(jié)合圖1整流濾波電路，依據(jù)圖2的④濾波電容充電、放電原理，運(yùn)用(1)計(jì)算模型，對(duì)C的進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算方法如下：
如圖2的④波形，在t1～t2過(guò)程中，△U的變化規(guī)律和ui基本相同，符合正弦變化規(guī)律，其電容C充電兩端的電壓為：

因?yàn)閁i經(jīng)全波整流后，變成了單相脈沖，頻率為100 Hz，周期為T(mén)／2=0．01s(T=1／50)；如圖2的④波形，紋波電壓△U在t1～t4為一個(gè)波形周期，所以t1與t4時(shí)刻的Uc值相同。
從波形中分析出，在t2～t3期間內(nèi)，對(duì)C的充電、放電過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，由于t3-t2小小于t4-t2，所以，可近似為t2～t4為放電過(guò)程，有模型(1)得到(5)：

1．3 濾波電容的仿真計(jì)算
設(shè)：Ui=15 V，f=50 Hz，ω=2πf。
運(yùn)用Matlab運(yùn)算工具，對(duì)關(guān)系式(7)和(8)進(jìn)行運(yùn)算，得到圖3曲線(xiàn)。

當(dāng)紋波電壓△U一定時(shí)，即選定△U分別為Uc10％、Uc20％、Uc30％時(shí)，在分別取RFZ為不同值，得到一系列濾波電容C值，如圖3①所示。
當(dāng)濾波電容C一定時(shí)，即選定C分別為3 500μF、3 000μF、2 500μF，在分別取不同的，即不同的紋波電壓參數(shù)，得到一系列負(fù)載RFZ的值，如圖3②所示。
當(dāng)負(fù)載功率一定時(shí)，即分別取RFZ為20 Ω、15 Ω、10 Ω，分別取不同的△U，即不同的紋波電壓參數(shù)，同樣得到一系列濾波電容C值，如圖3③所示。
通過(guò)圖3可以看出，在RFZ、C與△U之間，如果知道2個(gè)參數(shù)就可以查到第3個(gè)參數(shù)值。比如：△U為Uc的20％、RFZ為15 Ω時(shí)，從圖3①中就可以查到C為2 300μF；如果RFZ為20 Ω、C為3 500μF時(shí)。從圖3②中就可以查到△U為1．8 V；如果要求△U為1．5 V、選C為4 700 μF時(shí)，則Rvz在20 Ω左右。

2 濾波電容設(shè)計(jì)計(jì)算的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
結(jié)合圖1所示電路原理，按照?qǐng)D3查出的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以證明所建立模型的正確性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示。

可見(jiàn)，在選定的參數(shù)情況下，通過(guò)圖3查找曲線(xiàn)相應(yīng)參數(shù)值，進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所得出的數(shù)據(jù)與之相符，說(shuō)明所建立的模型(8)與運(yùn)算所繪出的濾波電容C、負(fù)載RFZ、△U三者關(guān)系曲線(xiàn)具有科學(xué)性性，能夠進(jìn)行整流濾波電路中C的設(shè)計(jì)與選取。

3 結(jié)束語(yǔ)
在電源設(shè)備的整流濾波電路中，濾波電容C的選取，一般依據(jù)輸出直流電壓、負(fù)載RFZ大小及對(duì)紋波電壓△U的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本文依據(jù)整流濾波電路原理和濾波電容的作用，分析了紋波電壓產(chǎn)生的過(guò)程，說(shuō)明了紋波電壓△U與RFZ、C的關(guān)系，建立了Uc與RFZ、C和的模型，給出了相應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)圖；在輸入電壓Ui一定的條件下，可以查出與RFZ、C的值，并通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了上述建立的模型、仿真關(guān)系曲線(xiàn)的科學(xué)性，有利于在濾波電容C設(shè)計(jì)與選取。