濾波電路常用的濾去整流輸出電壓中的紋波方案

濾波電路" target="_blank">濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。

當(dāng)流過電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中;當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>ωL時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。另外，由于濾波電感電動(dòng)勢(shì)的作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近π，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過二極管的電流，從而延長(zhǎng)了整流二極管的壽命。

基礎(chǔ)電路一般直流穩(wěn)壓電源都使用220伏市電作為電源，經(jīng)過變壓、整流、濾波后輸送給穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，最終成為穩(wěn)定的直流電源。這個(gè)過程中的變壓、整流、濾波等電路可以看作直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)電路，沒有這些電路對(duì)市電的前期處理，穩(wěn)壓電路將無(wú)法正常工作。

1、變壓電路通常直流穩(wěn)壓電源使用電源變壓器來(lái)改變輸入到后級(jí)電路的電壓。電源變壓器由初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和鐵芯組成。初級(jí)繞組用來(lái)輸入電源交流電壓，次級(jí)繞組輸出所需要的交流電壓。通俗的說，電源變壓器是一種電→磁→電轉(zhuǎn)換器件。即初級(jí)的交流電轉(zhuǎn)化成鐵芯的閉合交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁力線切割次級(jí)線圈產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)。次級(jí)接上負(fù)載時(shí)，電路閉合，次級(jí)電路有交變電流通過。變壓器的電路圖符號(hào)見圖2-3-1。

2、整流電路經(jīng)過變壓器變壓后的仍然是交流電，需要轉(zhuǎn)換為直流電才能提供給后級(jí)電路，這個(gè)轉(zhuǎn)換電路就是整流電路。在直流穩(wěn)壓電源中利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電特性，將方向變化的交流電整流為直流電。

(1)半波整流電路

半波整流電路見圖2-3-2。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極管，R1是負(fù)載。B1次級(jí)是一個(gè)方向和大小隨時(shí)間變化的正弦波電壓，波形如圖 2-3-3(a)所示。0～π期間是這個(gè)電壓的正半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為正下端為負(fù)，二極管D1正向?qū)?，電源電壓加到?fù)載R1上，負(fù)載R1中有電流通過;π～2π期間是這個(gè)電壓的負(fù)半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，二極管D1反向截止，沒有電壓加到負(fù)載R1上，負(fù)載R1中沒有電流通過。在 2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過程，這樣電源負(fù)半周的波形被“削”掉，得到一個(gè)單一方向的電壓，波形如圖2-3-3(b)所示。由于這樣得到的電壓波形大小還是隨時(shí)間變化，我們稱其為脈動(dòng)直流。

設(shè)B1次級(jí)電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1承受的反向峰值電壓為：

由于半波整流電路只利用電源的正半周，電源的利用效率非常低，所以半波整流電路僅在高電壓、小電流等少數(shù)情況下使用，一般電源電路中很少使用。

(2)全波整流電路

由于半波整流電路的效率較低，于是人們很自然的想到將電源的負(fù)半周也利用起來(lái)，這樣就有了全波整流電路。全波整流電路圖見圖2-3-6。相對(duì)半波整流電路，全波整流電路多用了一個(gè)整流二極管D2，變壓器B1的次級(jí)也增加了一個(gè)中心抽頭。這個(gè)電路實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)半波整流電路組合到一起。在0～π期間B1次級(jí)上端為正下端為負(fù)，D1正向?qū)ǎ娫措妷杭拥絉1上，R1兩端的電壓上端為正下端為負(fù)，其波形如圖2-3-7(b)所示，其電流流向如圖2-3-8所示;在π～2π期間B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，D2正向?qū)?，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓還是上端為正下端為負(fù)，其波形如圖2-3-7(c)所示，其電流流向如圖2-3-9所示。在2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過程，這樣電源正負(fù)兩個(gè)半周的電壓經(jīng)過D1、D2整流后分別加到R1兩端，R1上得到的電壓總是上正下負(fù)，其波形如圖2-3-7(d)所示。

設(shè)B1次級(jí)電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：

全波整流電路每個(gè)整流二極管上流過的電流只是負(fù)載電流的一半，比半波整流小一倍。

(3)橋式整流電路

由于全波整流電路需要特制的變壓器，制作起來(lái)比較麻煩，于是出現(xiàn)了一種橋式整流電路。這種整流電路使用普通的變壓器，但是比全波整流多用了兩個(gè)整流二極管。由于四個(gè)整流二極管連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。

由圖2-3-13可以看出在電源正半周時(shí)，B1次級(jí)上端為正，下端為負(fù)，整流二極管D4和D2導(dǎo)通，電流由變壓器B1次級(jí)上端經(jīng)過D4、R1、D2回到變壓器B1次級(jí)下端;由圖2-3-14可以看出在電源負(fù)半周時(shí)，B1次級(jí)下端為正，上端為負(fù)，整流二極管D1和D3導(dǎo)通，電流由變壓器B1次級(jí)下端經(jīng)過 D1、R1、D3回到變壓器B1次級(jí)上端。R1兩端的電壓始終是上正下負(fù)，其波形與全波整流時(shí)一致。

設(shè)B1次級(jí)電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：

整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：

橋式整流電路每個(gè)整流二極管上流過的電流是負(fù)載電流的一半，與全波整流相同。

通常情況下橋式整流電路都簡(jiǎn)化成圖2-3-17的形式。

(4)倍壓整流電路

前面介紹的三種整流電路輸出電壓都小于輸入交流電壓的有效值，如果需要輸出電壓大于輸入交流電壓有效值時(shí)可以采用倍壓電路，見圖2-3-18。由圖 2-3-19可知，在電源的正半周，變壓器B1次級(jí)上端為正下端為負(fù)，D1導(dǎo)通，D2截止，C1通過D1充電，充電后C1兩端電壓接近B1次級(jí)電壓峰值，方向?yàn)樽蠖苏叶素?fù);由圖2-3-20可知，在電源的負(fù)半周，變壓器B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，D1截止，D2導(dǎo)通，C2通過D1充電，充電后C2兩端電壓接近C1兩端電壓與B1次級(jí)電壓峰值之和，方向?yàn)橄露苏隙素?fù)。由于負(fù)載R1與C1并聯(lián)，當(dāng)R1足夠大時(shí)，R1兩端的電壓即為接近2倍B1次級(jí)電壓。

二倍壓整流電路還有另外一種形式的畫法，見圖2-3-21，其原理與圖2-3-18完全一致，只是表現(xiàn)形式不一樣。

圖1是最經(jīng)典的電路，優(yōu)點(diǎn)是可以在電阻R5上并聯(lián)濾波電容。

電阻匹配關(guān)系為R1=R2，R4=R5=2R3;可以通過更改R5來(lái)調(diào)節(jié)增益。

圖2優(yōu)點(diǎn)是匹配電阻少，只要求R1=R2。

圖3的優(yōu)點(diǎn)是輸入高阻抗，匹配電阻要求R1=R2，R4=2R3。

圖4的匹配電阻全部相等，還可以通過改變電阻R1來(lái)改變?cè)鲆?。缺點(diǎn)是在輸入信號(hào)的負(fù)半周，A1的負(fù)反饋由兩路構(gòu)成，其中一路是R5，另一路是由運(yùn)放A2復(fù)合構(gòu)成，也有復(fù)合運(yùn)放的缺點(diǎn)。

圖5和圖6要求R1=2R2=2R3，增益為1/2。

缺點(diǎn)是：當(dāng)輸入信號(hào)正半周時(shí)，輸出阻抗比較高，可以在輸出增加增益為2的同相放大器隔離。

另外一個(gè)缺點(diǎn)是正半周和負(fù)半周的輸入阻抗不相等，要求輸入信號(hào)的內(nèi)阻忽略不計(jì)。

圖7正半周，D2通，增益=1+(R2+R3)/R1;負(fù)半周增益=-R3/R2;要求正負(fù)半周增益的絕對(duì)值相等。

例如增益取2，可以選R1=30K，R2=10K，R3=20K。

圖8的電阻匹配關(guān)系為R1=R2。

圖9要求R1=R2，R4可以用來(lái)調(diào)節(jié)增益，增益等于1+R4/R2;如果R4=0，增益等于1;缺點(diǎn)是正負(fù)半波的輸入阻抗不相等，要求輸入信號(hào)的內(nèi)阻要小，否則輸出波形不對(duì)稱。

圖10是利用單電源運(yùn)放的跟隨器的特性設(shè)計(jì)的，單電源的跟隨器，當(dāng)輸入信號(hào)大于0時(shí)，輸出為跟隨器;當(dāng)輸入信號(hào)小于0的時(shí)候，輸出為0。

使用時(shí)要小心單電源運(yùn)放在信號(hào)很小時(shí)的非線性。而且，單電源跟隨器在負(fù)信號(hào)輸入時(shí)也有非線性。

圖7、8、9三種電路，當(dāng)運(yùn)放A1輸出為正時(shí)，A1的負(fù)反饋是通過二極管D2和運(yùn)放A2構(gòu)成的復(fù)合放大器構(gòu)成的，由于兩個(gè)運(yùn)放的復(fù)合(乘積)作用，可能環(huán)路的增益太高，容易產(chǎn)生振蕩。

精密全波電路還有一些沒有錄入，比如高阻抗型還有一種把A2的同相輸入端接到A1的反相輸入端的，其實(shí)和這個(gè)高阻抗型的原理一樣，就沒有專門收錄，其它采用A1的輸出只接一個(gè)二極管的也沒有收錄，因?yàn)樵谶@個(gè)二極管截止時(shí)，A1處于開環(huán)狀態(tài)。

結(jié)論

雖然這里的精密全波電路達(dá)十種，仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的并不多。確切地說只有3種，就是前面的3種。

圖1的經(jīng)典電路雖然匹配電阻多，但是完全可以用6個(gè)等值電阻R實(shí)現(xiàn)，其中電阻R3可以用兩個(gè)R并聯(lián)?？梢酝ㄟ^R5調(diào)節(jié)增益，增益可以大于1，也可以小于1。最具有優(yōu)勢(shì)的是可以在R5上并電容濾波。