整流濾波電容的設計與選用方法研究

摘要：整流濾波電路是直流穩壓電源設備中常用電路，其中濾波電容的設計選取，直接影響到紋波電壓的大小，關係到輸出直流電壓的質量。本文通過在設定條件下，依據整流濾波電路原理，闡述了紋渡電壓產生的過程，給出了一種濾波電容設計與選取計算方法，建立了電容選取的計算模型，描繪出了紋波電壓、負載電阻與濾波電容之間關係曲線，並通過實驗驗證其科學性，有利於濾波電容的設計與選用。
關鍵詞：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壓電源設備原理電路的重要組成部分，具有把交流電壓轉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)轉變成單向的脈動電壓；二是濾波電路，是將單向脈動電壓通過濾波形成直流電壓。整流濾波電路輸出的直流電壓，是直流穩壓電源設備實現穩壓輸出的前提。如果整流濾波電路輸出的直流電壓不能滿足穩壓電路輸出的要求，將導致直流穩壓電源設備不能穩壓輸出。所以，濾波電路的設計，特別是濾波電容的設計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。即應根據允許的紋波電壓來選取容值；對於有維持時間要求的系統，單相整流時一般取1～2μF／W。對於濾波電容C的選取，使用經驗公式RC≥(3：5)T／2，並認為濾波電容C越大越好。實驗證明這些說法，對於直流穩壓電源設備中整流濾波電容的設計與選取是不科學的。因為，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，應根據對紋波電壓的要求及
其直流穩壓電源設備輸出直流電壓指標進行具體的設計與選取。
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。把整流後的電壓中多次諧波濾除，輸出「純淨」的直流電壓。因此，電容C的設計選擇，直接關係到濾波電路輸出直流電壓的質量。文中結合穩壓電路的要求，針對整流濾波電路，就濾波電容C的設計與選取展開了分析與研究。

1 濾波電容的設計
整流濾波電路的原理如圖1所示，主要有D1～D4二極體、濾波電容C和負載電阻RFZ組成。如果負載電阻RFZ等效為電源設備的穩壓電路，就對濾波電路提出指標要求。在整流電路輸出電壓、功率保證的情況下，主要是對紋波電壓的要求。紋波電壓是指濾波電路、穩壓電路輸出直流電壓含有的波動電壓，如圖2所示。如果濾波電路輸出的紋波電壓過大，將導致穩壓電路輸出紋波電壓增大，甚至難以穩壓。紋波電壓是由整流輸出的單相脈動電壓對濾波電容C的充電、放電過程產生的；在負載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的設計，應依據紋波電壓的要求來設計。

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1．1 濾波電容充電、放電過程
針對圖1濾波電路，用示波器測試的波形圖分析C的充電、放電過程更為直觀。當K斷開時，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轉變成頻率為100 Hz的單向脈動電壓，如圖2的②。當K接通時，濾波電路輸出的直流電壓為U0，併疊加有紋波電壓△U，如圖2的③。如果圖2中的②和③重疊後，在示波器上就會出現圖2中的④波形圖。從圖2的④中就可分析出電容C的充電與放電過程。
圖2的④，為圖1電路處於穩態時輸出的Uc電壓波形，△U是紋波電壓．其幅度決定於C和負載RFZ的大小。如圖2所示，當處在0～t1，U0= Uc>ui，C處於放電過程，D1～D4均處於截止狀態；在t1～t2，ui≥U0=Uc，C處於充電過程，D2、D3處於導通狀態，D1、D4處於截止狀態；在t2～t3，ui≤U0=Uc，C隨ui規律放電，仍存在D2、D3處於導通狀態，D1、D4處於截止狀態；在t3～t4，uiU0=Uc，C處於放電過程，D1～D4處於截止狀態。從t4後開始，其過程同t1～t4。可以看出從t1～t3期間，是電容C充電過程，紋波電壓的變化規律和ui(ui=U0=Uc)相同；在t3～t4期間，Uc按指數規律下降，時間常數為τ=RFZC。
1．2 濾波電容的計算方法與模型
從電容C充放電過程可以看出，在t1～t2期間，是電容C充電過程，紋波電壓△U的變化規律和ui基本相同。在t3～t4期間，純粹是電容C放電過程。其計算模型為：

結合圖1整流濾波電路，依據圖2的④濾波電容充電、放電原理，運用(1)計算模型，對C的進行計算，其計算方法如下：
如圖2的④波形，在t1～t2過程中，△U的變化規律和ui基本相同，符合正弦變化規律，其電容C充電兩端的電壓為：

因為Ui經全波整流後，變成了單相脈衝，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△U在t1～t4為一個波形周期，所以t1與t4時刻的Uc值相同。
從波形中分析出，在t2～t3期間內，對C的充電、放電過程同時進行，由於t3-t2小小於t4-t2，所以，可近似為t2～t4為放電過程，有模型(1)得到(5)：

1．3 濾波電容的仿真計算
設：Ui=15 V，f=50 Hz，ω=2πf。
運用Matlab運算工具，對關係式(7)和(8)進行運算，得到圖3曲線。

當紋波電壓△U一定時，即選定△U分別為Uc10％、Uc20％、Uc30％時，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。
當濾波電容C一定時，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，得到一系列負載RFZ的值，如圖3②所示。
當負載功率一定時，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，同樣得到一系列濾波電容C值，如圖3③所示。
通過圖3可以看出，在RFZ、C與△U之間，如果知道2個參數就可以查到第3個參數值。比如：△U為Uc的20％、RFZ為15 Ω時，從圖3①中就可以查到C為2 300μF；如果RFZ為20 Ω、C為3 500μF時。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，則Rvz在20 Ω左右。

2 濾波電容設計計算的實驗驗證
結合圖1所示電路原理，按照圖3查出的相關參數進行實驗驗證，以證明所建立模型的正確性。實驗驗證數據如表1所示。

可見，在選定的參數情況下，通過圖3查找曲線相應參數值，進行電路實驗驗證，所得出的數據與之相符，說明所建立的模型(8)與運算所繪出的濾波電容C、負載RFZ、△U三者關係曲線具有科學性性，能夠進行整流濾波電路中C的設計與選取。

3 結束語
在電源設備的整流濾波電路中，濾波電容C的選取，一般依據輸出直流電壓、負載RFZ大小及對紋波電壓△U的要求進行設計的。本文依據整流濾波電路原理和濾波電容的作用，分析了紋波電壓產生的過程，說明了紋波電壓△U與RFZ、C的關係，建立了Uc與RFZ、C和的模型，給出了相應關係曲線圖；在輸入電壓Ui一定的條件下，可以查出與RFZ、C的值，並通過仿真計算和實驗驗證，證明了上述建立的模型、仿真關係曲線的科學性，有利於在濾波電容C設計與選取。