董振旗，趙巍輝，劉耀輝，劉鵬

（第二炮兵工程大學(xué)陜西西安710025）

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[1]。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l～2 μF/W[2]。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[3]。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[4]，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。可見，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。當(dāng)K斷開時(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ΔU，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1 整流濾波電路原理Fig.1 Principle of rectifier filter circuit

圖2 整流濾波形圖Fig.2 Rectifier filter graph

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，ΔU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，ui＜U0=Uc，C處于放電過(guò)程，D1～D4處于截止?fàn)顟B(tài)。從t4后開始，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ΔU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[5]：

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，ΔU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：

設(shè)紋波電壓幅度為，則t1為：

則充電時(shí)間為tc=t2-t1：

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/2=0.01s（T=1/50）；如圖2的④波形，紋波電壓ΔU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）：

則放電時(shí)間tf=t4-t2為：

由于f=50 Hz，由此知濾波電容C、負(fù)載RFZ、ΔU三者之間的變化關(guān)系為：

即濾波電容C的關(guān)系公式為：

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[5-6]，對(duì)關(guān)系式（7）和（8）進(jìn)行運(yùn)算，得到圖3曲線。

當(dāng)紋波電壓ΔU一定時(shí)，即選定ΔU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3500μF、3 000μF、2 500 μF，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ΔU，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ΔU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：ΔU為Uc的20%、RFZ為15 Ω時(shí)，從圖3①中就可以查到C為2 300 μF；如果RFZ為20 Ω、C為3 500 μF時(shí)，從圖3②中就可以查到ΔU為1.8 V；如果要求ΔU為1.5 V、選C為4 700 μF時(shí)，則RFZ在20 Ω左右。

圖3 濾波電容C、負(fù)載R FZ、ΔU三者關(guān)系曲線（注：eU=ΔU）Fig.3 The curve of filter capacitor C，resistance R FZ and ΔU（Note：eU=ΔU）

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。

表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment validation data

可見，在選定的參數(shù)情況下，通過(guò)圖3查找曲線相應(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、ΔU三者關(guān)系曲線具有科學(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ΔU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ΔU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)系曲線的科學(xué)性，有利于在濾波電容C設(shè)計(jì)與選取。

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