不要再把電源濾波電容加倍了,後果很嚴重!

2021-01-08 電子製作站

大多數讀者學習電容器概念時,最先接觸到的應用可能就是濾波,最常見、最簡單的單電容濾波電路如下圖所示:

其相關的輸入輸出波形如下圖所示:

電容濾波電路原理非常簡單:當輸入脈動電壓ui高於濾波電容兩端電壓時就對電容充電,而當輸入脈動電壓ui低於濾波電容兩端電壓時,濾波電容開始放電承擔對負載提供電量的責任,補償了輸入脈動電壓ui的下降趨勢,從而達到降低脈動電壓的脈動程度(紋波係數)。我們也曾經被教育過:濾波電容越大,則濾波後的輸出電壓紋波越小。

那電源濾波電容的容量越大就越好嗎?

首先,毫無疑問,容量越大則成本越高,但更重要的是,濾波容量大到一定程度,電容容量所帶來的好處會越少。

如前述橋式整流濾波,濾波電容的容量從10uF到100uF,紋波電壓改善是64V-22V=42V,從100uF到1000uF的紋波改善值為22V-4.24V=19.6V,而從1000uF到4700uF的紋波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了,如下圖所示:

很明顯可以看到,濾波電容的容量越大,相應的紋波電壓是下降了,但是濾波電容越大,則能夠獲得的好處就更少了,從經濟學的角度看,就是邊際效益越小(性價比低),不值得這麼做;

其二,濾波容量過大的必要性。如果一件事情沒有執行的必要,那我們就沒有必要去執行,這看來是句廢話,然而這也是電路設計中遵循的適用性法則(夠用就好)。

當輸入脈動直流電壓的紋波電壓經濾波電容(電路)後被控制在允許的範圍之內,儘管此時輸出的直流電壓還有些波動(不是十分穩定),但我們認為濾波電容的歷史使命已經圓滿完成,濾波電路後面還會有穩壓電路進行更為精確地穩壓,如下圖所示:

電路系統中的每一個部分都有其主要職責,我們沒有必要花費更多的精力讓濾波電路去執行它並不擅長的任務,這與每個人都應當做其最擅長的事情也是一樣的道理,文章最開始我們就已經講述了濾波電容存在的目的:降低交流脈動電壓(紋波係數),而不是用來輸出穩定的電壓;

其三,濾波電容過大的可行性。濾波電容的容量過大,則充電電流(紋波電流)也會越大,過大的紋波電流對電路系統是一個致命的傷害。

如果說上面兩點不成為你使用更大容量的濾波電容的理由(比如,你說你有錢任性,我就想做最好的產品感恩社會,報效祖國,花多點錢不在乎),但在紋波電流的限制下,你想使用容量過大的電容都不行(濾波電容會說:你要做好產品我不管,但你要把我弄得太大,搞不好把電路損壞了,這鍋我不背)。

大多數讀者可能對紋波電壓都有所了解,但其實相應的也還有紋波電流(Ripple current),它的定義是:在最高工作溫度條件下,電容器最大所能承受的交流紋波電流的RMS值(有效值),並且指定的紋波為頻率範圍(100Hz~120Hz)的正弦波。

紋波電流在電壓上的表現就是脈動電壓(紋波),電容器所能承受的最大允許紋波電流受溫度、損耗角度及交流頻率等參數的限制,在數據手冊中通常用 IR來表示,如下圖所示的紋波電流(下圖來自VISHAY鋁電解電容038 RSU數據手冊) :

該系列電解電容的紋波電流如下圖所示:

上圖是耐壓值為25V的濾波電容的部分數據,相同工藝及容量下,耐壓越高則相應的紋波允許電流也越高,那濾波電容的容量過大為什麼又會產生更大的紋波電流呢?

對於同樣的橋式整流濾波電路,當濾波電容的容量過大時,其相關波形如下圖所示:

在電路系統剛剛上電時,濾波電容兩端的電壓為零,此時輸入脈動電壓ui會逐漸升高,並同時對濾波電容進行充電,如果濾波電容的容量過大,則電容充電的速度會比較慢(電壓上升慢),當輸入脈動電壓ui達到峰值時,此時的輸入峰值電壓與濾波電容兩端的電壓差最高的,並且兩者之間沒有任何阻抗,如下圖所示:

高壓低阻狀態就會引起瞬間大電流,濾波電容的容量越大,則瞬間的充電(紋波)電流也越大,此時電路的狀態就等效於下圖所示:

這種瞬間電流(也稱變浪湧電流)很可能超出濾波電容的最大紋波電流,從而將損壞濾波電容,如果由此引起濾波電容短路故障,則其它相關元器件(如整流二極體、保險絲、開關管)也可能在一瞬間報銷。

當然,很多情況下電源濾波電容必須要很大,因此就必須添加相應的保護電路,比如,我們可以串一個限流電阻在電路中,再額外使用繼電器進行開關控制,如下圖所示:

當電源剛剛上電時,繼電器開關斷開,此時限流電阻R1串聯在電路中,以防止出現過大的紋波電流,而當濾波電容已經進入正常工作狀態後,我們將繼電器開關閉合,將限流電阻R1短接,這樣可以避免限流電阻R1消耗不必要的電能。

那濾波電容的容量到底多大才算合適呢?下一節我們來討論一下這個問題

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