当前课程知识点：模拟电子技术基础(应用部分) > 第七周 > 10.4 电容滤波电路 > 电容滤波电路
整流之后的直流电压
是一个存在的非常大幅值的
交流成分的
它不能够作为电源
来给电子系统或电子电路供电
所以我们要使得这样一个脉动的
直流电压变成平缓的直流电压
使交流成分削弱
而保留它的直流成分
最简单的滤波电路
就是电容滤波
所以下面我们来介绍
电容滤波电路
首先我们看工作原理
从电路的构成上我们看到
电容滤波是如此的简单
就是在负载上并上一个电容
注意 这个电容上写正号
表示它是一个电解电容
因为这个电容需要是大容量电容
而大容量的电容
一般都是电解电容
电解电容因为有电解质在那
所以你必须外加的电压极性合适
它才能够正常工作
如果极性不合适
那么你就破坏了它里边的电解质
那么这个电容就不能够正常工作
甚至于就损坏了
所以在接这个电容的时候
要特别注意
就是它应该接的电压
承受的电压应该正的这地方接正
另一端应该接负
从它构成上是简单的
那下面我们就来看一看
它工作原理是什么样的
那么从这接法上我们就可以看到
说只有当u2大于uC的时候
就这的电压
比uC上的电压来的大
才有可能有一对二极管导通
正半周的时候是1 3
两只二极管导通
负半周的时候是2 4
两只二极管导通
那这时候就对电容充电了
我们来看一看
对电容充电它的时间常数是什么
就是从电容的两端
然后往左看
看什么呢
就看看那个整流电路
和电源变压器
那么我们看它总体的电阻
是非常小的
假如我们把二极管理想化了
那么二极管动态电阻就是0了
那么往里边看
变压器自身的这个电阻
也是很小的
所以它的充电的时间常数
是非常小的
就是从电容两端
往整流电路那边看
它等效的这个输出的电阻
那是一个很小的电阻
也就是说充电是一个时间很短
很快的一个过程
那么如果在电路里边
u2小于了uC
二极管就没有导通的条件了
那所有的二极管都会截止
那这时候我们看这个电路
是什么样子了
就相当于往左看
从电容往左看
那边是断开的
那么电容就会对负载进行放电
而这个放电的时间常数
就是电容的容量C乘上RL
可见 放电时间常数
总体来讲要比充电的时间常数
来的大
多数情况还大得多
那么既然是这样
我们就来看一看
当这样一个电容滤波电路是一种
稳态工作的时候
波形是如何变化的
我们看虚线
虚线本身是整流之后的
这样的波形
然后我们再来看
首先它已经是稳态了
从a点开始
表明这时候电容开始充电了
因为u2它的数值大于了uC
uC实际上就是输出电压
所以从a到b 这一段是充电
注意
因为这个充电的时间常数特别小
所以充电之后这波形 输出电压
这个波形
几乎就和原来整流之后的
那个波形重合在一起
所以我实线画的就是输出的波形
也就是电容滤波的那个波形
然后我们看到b点 这是峰值
峰值之后
那么u2开始下降了
那C上头的电压也开始下降了
这时要开始放电
但是 这时候的放电速度
与正弦波下降的速度相近似
因此 我就在b到c的
这个阶段里边
我基本上还是沿着这个正弦的
这种样子画这个波形
但是 当它放电到c的时候
这两个波形就有了比较大的差别
原因是整流之后是按照一种
正弦的规律
而我们知道 电容放电它按照是
指数规律
所以在这儿 我们看到
它按指数规律下降
它下降的很缓慢
究竟缓慢到什么程度
就和放电的时间常数相关了
也就是和负载电阻的大小
以及滤波电容的大小紧密相关
这两个的数值越大
它放电越缓慢
而放电越缓慢 我们就可以看到
它脉动的部分
交流的分量就会越小
而从平均值上来看
平均值就会越大
我们看原来的平均值
只是正弦的这个面积
而现在呢
你看有一块这个地方的面积
所以这样我们就可以看到
说由于它充电的时间常数
远远小于放电的时间常数
我们就得到了上述的波形
而滤波之后
输出电压的平均值被增大了
脉动减小了
增大多少
脉动减少多少
都和放电的时间常数紧密相关
当然我们这个分析
是一种什么样的分析呢
就认为这个电源变压器
和整流电路没有任何损耗
但是在实际情况下
尤其是负载电流比较大的情况下
它还是有损耗的
既然有损耗
就会在电源变压器
和整流电流电路上面
有一定的压降
那么实际的情况就是这样的
考虑到整流电路它的内阻
那么实际情况就是这样
这个是我们把脉动给它折线化的
折线化之后
我们看这个波形
就是它交流分量这一部分
有点像三角波的样子
所以实际上是可以计算的
我们在这儿不做这样的计算
我们只是从定性上看到
就是当着放电的时间常数比较大
也就是RLC大的时候
总体这个波形 我们看
比RLC小的时候它的数值来的大
而且波动的峰-峰值小
脉动小
这就是一个基本的结论
就是滤波电容越大
负载电阻越大
放电时候的这个时间常数就越大
放电就越缓慢
曲线就越平缓
那么输出电压的平均值
也就是直流分量会越大
脉动也就是交流分量会越小
所以我们可以看到
这儿仅仅加的一个电容
但是它所起的作用是不容忽视的
那在这里我要提出一个问题
就是关于二极管的导通角
当它有了滤波电路之后
二极管的波形产生了变化
为什么产生变化呢
因为实际上只有在滤波电容
充电的时候二极管才导通
而我们又知道
二极管流过的平均电流
和输出负载上流过的平均电流
紧密相关
当它的滤波电容数值
比较大的时候
这时候脉动会比较小
而且平均值增大了
因此我们所看到的
就是导通的这个时间变小
我们管它叫导通角θ
说在半个周期里边
它导通的时间就很小
但是它的峰值会特别大
原因是它仍然是和输出电流的
平均值紧密相关
如果在选取管子的时候
它的平均值是负载上头
电流平均值的1/2
也就是说这面积仍然得保持
这么大的面积
于是它的峰值就上去了
这样我们就得到了
这样的一些结论
说没有滤波电容的时候
它的导通角是π
是在半个周期里边都导通
而到有了滤波电容的时候
θ角小于π
这时候二极管的平均电流增大了
所以它的峰值会很大
那就是C越大负载电阻越大
放电时间常数越大
脉动越小输出电压平均值越大
而θ角反而变小了
那么二极管流过电流的峰值变大了
这时候给我们造成的一种困难
就是当这个电路的负载电阻小
也就是说它需要的负载电流大的时候
那么二极管的峰值可能几倍于
负载电流的这个平均值
甚至还不只几倍
于是在我们选择二极管的时候
就产生了困难
二极管流过的电流
变成一种脉冲式的电流
不断的冲击这个二极管
所以我们选择二极管的时候
就不能按照前边我们所给出的
说流的平均电流是1/2的负载电流
这样的一个式子去来选择二极管
我们要选比这个电流大得多的
一个二极管
才能够适应于这样一种
电容滤波的电路
那么大家就可以想象
假如负载电流特别大
那么这样的一种对二极管的选取
就不合理了
所以电容滤波电路
它不适合负载电流特别大的情况
下面我们来看一看电容的选择
以及输出电压平均值的估算
这个就是单相桥式整流电路
电容滤波
这是它的输出
注意 这个是整流桥的
简化的画法
二极管的方向给出了这个整流堆
它流出电流和流入电流的方向
所以这个二极管它的方向
不能随便画
那下面我们就来看一看
电容怎么选择
当这RL乘C
等于三到五倍的T / 2的时候
这里T是什么呢
是电网电压的周期
那为什么是T / 2呢
就是因为当全波整流之后
它的交流分量的基波是100Hz
在这样的一个情况下
输出电压的平均值近似的是
1.2倍的U2
U2是变压器副边的有效值
注意 这个既是一个经验值
又是可以去算它的
我们在前边看到了
当电容滤波的时候
它交流分量
我们可以把它等效成为一个
三角波
那我们可以去计算的
所以今后我们在选择C的时候
因为负载经常是用户提出来
那么就按照这样一个式子去
来选择C
然后在这样一个选择下
输出电压平均值
我们可以认为它近似的是
1.2倍的U2
这是一个近似的
所以如果滤波效果更好一些
那么它比1.2倍的U2更大
那如果在一个电路里边
如果它是开路了
负载电流是0
假如负载电流是0
那么我们可以看到
在这个电流里边
只有充电的回路
没有放电的回路
所以最终电容上充得的电压
会是根号2倍的U2
也就是要充到变压器副边的峰值
因此这样的一种方法
也可以认为就是你检验负载
也没有接好的这么一个方法
那么在这里注意就是
电容是一个电解电容
所以它是有耐压值的
它两端的电压过大它就会损坏
那么在这里我们可以看到
它的耐压值
最大的耐压值
那你可以考虑到电网电压的波动
+10%
所以是1.1根号2 U2
电容是不能接反的
当它接反
里边就会产生化学变化
因为它是电解电容
那这时候你就会破坏了它的结构
我们会看到
当你加反向的电压的时候
而且这个电压如果足够大
那么电解电容就彻底被破坏了
有的时候它会像放一个炮仗一样
还随着发出一个声音
然后就损坏了
那下面我们来看一看
电容滤波它的优缺点
简单易行
太简单了 是吧
找一个足够大的电容就可以了
而且输出电压平均值高
当这C足够大时
它的交流成分是较小的
但是它不适合大电流负载
就是当它滤波效果越好
产生一个问题
就是整流电路里边二极管的
导通角将越小
导通角越小会使得整流二极管的
电流的峰值越大
从而在大电流负载情况下
难于选择整流二极管
或者即使你选择了
也会提高了整个电路的造价
滤波电容数值比较大
是电解电容
所以电解电容大到一定程度
它就不是纯电容
这个我们在前边功放的时候
曾经讲到过
由于它是电解电容
是有两个极板
而且要把它们卷起来放到一个
金属的筒或者是塑料的
然后引出两个极
所以这样就会产生这种
电感的效应
而且也会产生漏阻
下面我们就来研究一个问题
这个就是一个电源变压器
桥式整流 电容滤波
然后给输出 负载
如图电路
已知变压器副边电压
有效值是20V
问输出电压为下列的情况的时候
电流是正常工作的
还是出现了故障
连线表示答案
我们首先看第一个
输出是近似的24V
我们回想我们刚才所讲的
说如果有效值是20V的话
我电容取的足够大了
那么输出近似的就是1.2倍的U2
所以在这种情况下
它是正常工作的
假如输出电压的平均值
约等于9V
那么我们看和20V相比
它近似的就是0.45倍U2
那说明这是一个半波整流
而且不光是半波整流
还没有滤波电路
所以这时候产生的故障
就是滤波电容
和中间的一只二极管断开了
所以我们看
假如D1 被断开了
那么正半周的时候
输出就获得不了电压
电压就是0
而只有负半周的那一部分了
而如果没有滤波电容
它的电压平均值不会增大
所以它就是0.45倍U2
然后我们再看
如果输出电压的平均值是18V
和20V相比就是0.9倍20V
那意思是什么呢
这电路没有经过滤波
所以它是在滤波电容
开路的情况下
才得到这么一个
二极管被损坏
烧掉了
这个我们前面
已经研究过这种情况
那就是说假如你D1接反
但是也有可能是D2接反
D3接反
D4接反
只要有一个接反
那么就会出现这种情况
而且我前面也曾经讲到
二极管烧掉之后看你运气怎么样
运气不好接着烧变压器
最后输出电压平均值约等于28V
约等于28V就 意味着是U2的峰值
那就是你负载没接好呗
所以这时候负载开路
我所以在这里
要研究出现故障的
这样的一些问题
就在于电源的这一部分
它是一个要保证整个电路
正常工作的这么一个部分
所以在这里头
不应该出现故障
而当出现故障的时候
我们应该进行理性的分析
来找着故障的原因
从而排除它
-7.1模拟电子技术基础（应用部分）概述
-7.2 由集成运放组成的运算电路概述
-7.3 反相输入比例运算电路
-7.4 同相输入比例运算电路
-7.5 反相求和运算电路
--反相求和运算电路
-7.6 同相求和运算电路
--同相求和运算电路
-实验一：单端输入双端输出电路
-7.7 加减运算电路
--加减运算电路
-7.8 关于比例及加减运算电路的讨论
-7.9 积分运算电路
--积分运算电路
-7.10 微分运算电路
--微分运算电路
-第一周作业
--第一周作业题
-EDA1 解一元多次方程
--解一元多次方程
-7.11 对数运算电路和指数运算电路
-7.12 模拟乘法器简介
--模拟乘法器简介
-7.13 模拟乘法器在运算电路中的应用
-实验二 正弦波电压倍频电路
-7.14 关于运算电路的讨论
-7.15 有源滤波器概述
--有源滤波器概述
-7.16 一阶低通滤波器
--一阶低通滤波器
-7.17 二阶低通滤波器
--二阶低通滤波器
-7.18 其它滤波器
--其它滤波器
-实验三 滤波电路的应用
--滤波电路的应用
-第二周作业
--第二周作业题
-8.1 正弦波振荡的条件
--正弦波振荡的条件
-8.2 正弦波振荡的组成及分类
-EDA2 正弦波振荡电路的起振和稳幅过程
-8.3 RC串并联选频网
--RC串并联选频网
-8.4 RC桥式正弦波振荡电路
-8.5 RC正弦波振荡电路的讨论
-实验四 正弦波振荡电路的测试
-8.6 变压器反馈式正弦波振荡电路
-8.7 电感反馈和电容反馈式正弦波振荡电路
-8.8 LC正弦波振荡电路的讨论
-第三周作业
--第三周作业题
-8.9 石英晶体正弦波振荡电路
-8.10 电压比较器概述
--电压比较器概述
-8.11 过零比较器
--过零比较器
-8.12 一般单限比较器
--一般单限比较器
-8.13 滞回比较器
--滞回比较器
-8.14 窗口比较器与集成比较器
-8.15 关于电压比较器的讨论
-8.16 常见非正弦波和矩形波发生电路的组成
-第四周作业题
-8.17 矩形波发生电路
--矩形波发生电路
-8.18 三角波-方波发生电路
-8.19 锯齿波发生电路和压控振荡电路
-EDA3 三角波发生电路->锯齿波发生电路->压控振荡电路的结构变化
-实验五 非正弦波发生电路的测试
-8.20 波形变换电路
--波形变换电路
-EDA4 波形变换电路的设计与实现
-8.21 信号转换电路
--信号转换电路
-8.22 关于信号转换电路的讨论
-9.1 概述
--概述
-9.2 变压器耦合功率放大电路
-第五周作业
--第五周作业题
-实验六 压控振荡电路的参数选择与调试
-9.3 OTL电路
--OTL电路
-9.4 OCL电路和BTL电路
-9.5 OCL电路最大输出功率及效率的估算
-9.6 OCL电路中晶体管的选择
-实验七 功放管及其散热器展示
-9.7 功率放大电路的讨论一（读图练习）
-9.8 功率放大电路的讨论二（电路的识别和故障分析）
-10.1 直流稳压电源的组成及各部分的作用
-10.2 单相半波整流电路
--单相半波整流电路
-第六周作业
--第六周作业题
-EDA5 数字式仪表的设计与仿真
--数字式仪表的设计
-10.3 单相桥式整流电路
--单相桥式整流电路
-10.4 电容滤波电路
--电容滤波电路
-10.5 其它滤波电路
--其他滤波电路
-10.6 稳压电路的性能指标及稳压二极管
-10.7 稳压管稳压电路的工作原理和主要性能指标
-10.8 稳压管稳压电路的设计
-实验八 稳压管稳压电路的设计及实现
-10.9 串联型稳压电路的组成
-10.10 串联型稳压电路中调整管的选择
-第七周作业
--第七周作业题
-10.11 关于串联型稳压电路的讨论
-10.12 集成三端稳压器及其基本用法
-10.13 基准电压源三端稳压器及其基本用法
-实验九 稳压电源性能指标的测试
-10.14 关于线性稳压电源的讨论
-10.15 开关型稳压电路的特点和基本原理
-10.16 串联开关型稳压电路
-10.17 并联开关型稳压电路
-第八周作业
--第八周作业题
-调查问卷
-期末考试
