1.3 滤波电路

学习目标：

① 了解滤波电路的作用及工作原理。

② 掌握单相整流电容滤波电路的工作原理，了解整流滤波电路元器件的选择原则。

③ 能识读滤波电路图，会运用示波器观察滤波电路的输出电压波形，会估算电容滤波电路的输出电压。

电源电路中，220V交流电压输入到电源变压器后经整流电路，得到的是脉动性直流电压，这一电压还不能直接加到电子电路中，因为其中有大量的交流成分，必须通过滤波电路的滤波，才能加到电子电路中。滤波电路直接接在整流电路后面，它通常由电容器、电感器和电阻器按照一定的方式组合而成。本节重点是分析各种滤波电路的工作情况。

正弦交流电压经过整流电路之后，变成了单向脉动的直流电压，此电压不仅含有直流成分，还有较大的交流成分。为了得到较为平滑的直流电，就在整流电路后面加上滤波电路，这样就可以保留脉动电压的直流成分，尽可能滤除它的交流成分。滤波电路通常由电容器、电感器和电阻器按照一定的方式组合而成。常用的滤波电路结构如图1-26所示。

1.3.1 滤波电路的工作原理

1．电容滤波电路

图1-27所示是单相桥式整流电容滤波电路图。电路中，滤波电容C并联在负载两端，利用电容器在电路中有储存和释放能量的作用（电源供给的电压升高时，它把部分能量储存起来；而当电源电压降低时，就把能量释放出来），从而减少脉动成分，使负载电压比较平滑，即电容器具有滤波作用。

（1）工作原理

单相桥式整流电路，其输出电压波形如图1-28（a）所示。当单相桥式整流电路中接上电容器C后，在输入电压u2正半周由0上升至t1时间内，二极管VD1和VD3在正向电压作用下导通，电容器C充电，同时整流电流经二极管VD1和VD3向负载RL供电。由于二极管的正向电压和变压器的二次绕组的电阻比较小，电容的充电常数也很小，所以电容两端的电压uC与u2近似相等，如图1-28（b）中的Oa段所示。

当uC上升到uC=u2时，u2按正弦规律下降，u2＜uC时，二极管VD1和VD3被反向截止，电容器C经RL放电，由于负载电阻很大，电容器C放电速度缓慢，则uC不能迅速下降，如图1-28（b）中ab段所示。

当uC下降到uC＜u2时，二极管VD2和VD4导通，u2再次对电容C充电，电容电压uC增大，如图1-28（b）中bc段所示。当uC上升到uC=u2时，u2又按正弦规律下降，u2＜uC时，二极管VD2和VD4反向截止，电容器又经RL放电。电容器C如此周而复始进行充放电，负载上便得到如图1-28（b）所示一个脉动较小的锯齿波的输出电压。

（2）电容滤波的特点

在整流电路中加入电容滤波后，电源电压在一个周期内，电容器C完成两次充、放电。

① 比较图1-28（a）和（b）可见，经电容器滤波后，输出电压的脉动成分大大减少，而且比较平滑了，使得输出电压平均值得到提高。

半波整流电容滤波电路的输出电压：

桥式整流电容滤波电路的输出电压：

② 接入滤波电容后二极管的导通时间变短，如图1-28（c）所示。电容开始充电时，流过二极管的充电电流很大，为了保护二极管不受损坏，在选择时必须选用电流裕量大的二极管，能够留有足够的电流余量，必要时在电容滤波前串联一限流电阻。一般情况下，按照其平均电流的2～3倍来选择二极管。

③ 电容C的放电常数τ=RLC越大，放电速度越慢，则负载输出电压中脉动成分越少，输出的平均电压也就越高。因此在选用电容器时，其放电常数τ=RLC要大一些，应满足下面条件：

式（1-15）中，T为交流电源电压的周期。

通常滤波电容采用极性电容器，使用时电容的极性不能接反，其耐压值大于输出电压的最大值，即大于U2。

④ 电容滤波电路的输出电压随负载电流的增加而减小，这种变化关系可用描述电容滤波的外特性来表示，如图1-29所示。

从图1-29中可见，电容滤波电路的输出电压在IO变化（即负载变化）时波动较大，说明电容滤波适用于带负载能力较差、负载电流较小且变化不大的场合。

2．电感滤波电路

电感滤波电路如图1-30所示，将一个电感器串联在整流电路的输出和负载电阻之间。由于电感器具有隔交流、通直流的特点，对于脉动电压中直流成分而言，电感线圈的直流电阻很小，很容易通过电感线圈加到负载上去；而对其交流成分来说，电感线圈对交流的阻抗很大，很难通过电感线圈，大部分落在电感线圈上。

根据电磁感应原理，线圈通过变化的电流时，它的两端要产生自感电动势来阻碍电流变化，当整流输出电流增大时，自感电动势抑制电流的增加，使电流只能缓慢上升；而整流输出电流减小时，自感电动势则阻止了电流的减少，使之只能缓慢下降，这样就使得整流输出电流变化平缓，其输出电压的平滑性比电容滤波好。

一般来说，电感越大，滤波效果越好，但是电感太大的阻流圈其铜线直流电阻相应增加，铁芯也需增大，结果使滤波器铜耗和铁耗均增加，成本上升，而且输出电流、电压下降。所以，滤波电感常取几亨到几十亨。由于电感滤波输出电压的波动较小，随负载变化也很小，所以电感滤波适用于负载电流较大的场合。

3．复式滤波电路

复式滤波电路是用电容器、电感器和电阻器组成的滤波器，通常有LC型滤波、π 型LC滤波和π 型RC滤波几种。复式滤波电路要求输出电压的脉动较小，所以其滤波效果比电容或电感滤波效果要更好，应用也较广泛。

图1-31所示是LC型滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成。脉动电压经过电感滤波后，交流分量大部分被电感器阻止，还有少部分交流分量再经过电容滤波，这样负载上得到更为平直的直流电压。

图1-32所示是π型LC滤波电路，在LC型滤波电路的前面再并联上一个滤波电容，这样可以使滤波效果更好，使输出电压的脉动更小，负载上的电压更平滑。由于π 型LC滤波电路输入端接有电容，在通电瞬间因电容器充电会产生较大的充电电流，所以一般取C1＜C2，以减小浪涌电流。

图1-33所示是π 型RC滤波电路。由于电感线圈的体积大、笨重，成本又高，所以选用电阻器R来代替电感器L。电阻对交、直流电流都有降压作用，它和电容组合在一起，使较多的交流分量落在电阻的两端，则 C2上的交流阻抗减小，输出电压的脉动也减小，从而起到滤波作用。R越大，C2越大，滤波效果更好。但是R不能太大，这样直流电压降会增加，因此 π 型RC滤波电路适用于负载电流不大的情况下。为降低成本，缩小体积，减轻重量，一般R取几十欧到几百欧。

当使用一级复式滤波达不到对输出电压的平滑性要求时，可以增添级数，如图1-34所示。

典型例题分析

【例题1-7】在桥式整流电容滤波电路中，若负载电阻RL为240 Ω，输出直流电压为24V，交流电源频率为50Hz，试确定电源变压器二次电压，并选择整流二极管和滤波电容。

【解题思路】本题考查的知识点是桥式整流电路加滤波电容后的工程估算。要注意桥式整流电路有滤波电容时 UL≈1.2U2，而不是UL≈0.9U2。选择整流二极管主要考虑的参数是IFM和URM，选择滤波电容主要考虑耐压和容量。

【解题结果】（1）电源变压器二次电压U2

根据题意可知：UO=1.2U2，所以

（2）整流二极管的选择

负载电流：

通过每个二极管的直流电流：

每个二极管承受的最大反向电压： VDRMU=U2=× 20≈28 V

查晶体管手册，可选用额定正向电流为100mA、最大反向电压为100V的整流二极管2CZ82C。

（3）滤波电容的选择

根据式（1-15）可得：，所以

根据电容器耐压公式：UC≥U2≈×20≈28V

因此，可选用容量为500μF、耐压为50V的电解电容器。

【例题1-8】电路如图1-27所示，设U2=18V，当电路出现以下故障时，用万用表测量输出直流电压UL应分别为多少？

（1）VD1被烧断，C开路；

（2）C开路；

（3）RL开路。

【解题思路】本题考查对整流电路和滤波电路的综合分析能力。桥式整流电路中的一只二极管开路就相当于半波整流电路；滤波电容C开路，相当于单纯的整流电路；负载RL开路，电容只充电不放电，电压将充到峰值。

【解题结果】（1）VD1烧断，C开路，电路变为半波整流电路，UL=0.45×18V=8.1V。

（2）C开路，电路变为桥式整流电路，UL=0.9×18V=16.2V。

（3）RL开路，电路为电容充电，电容无放电回路，电容电压将充到峰值，URM=U2≈1.41×18≈25.45V。

1.3.2 实训项目：滤波电路安装与调试

1．技能目标

① 掌握基本的手工焊接技术。

② 能熟练在万能印制电路板上进行合理布局、布线。

③ 能正确安装整流滤波电路，并对其进行调试与测量。

④ 能熟练使用示波器观测波形。

2．装配工具和仪器

① 电烙铁等常用电子装配工具。

② 万用表。

③ EM6520双踪示波器。

3．相关知识

（1）EM6520双踪示波器面板结构介绍

EM6520双踪示波器面板外形如图1-35所示，面板按钮说明见表1-7。

（2）测量方法

① 测量前的检查和调整。

接通电源开关，电源指示灯亮，稍等一会儿，机器进行预热，屏幕中出现光迹，分别调节亮度旋钮和聚焦旋钮，使光迹的亮度适中、清晰，如图1-36所示。

在正常情况下，被显示波形的水平轴方向应与屏幕的水平刻度线平行，由于外界干扰等原因造成误差，可按下列步骤检查调整：

先预置仪器控制件，使屏幕获得一个扫描线；后调节垂直位移，看扫描基线与水平刻度线是否平行，如不平行，用起子调整前面板“轨迹旋转TRACE ROTATION”控制件。

② 测量电压。

对被测信号峰—峰电压的测量步骤如下。

● 将信号输入至CH1或CH2插座，将垂直方式至被选用的通道；

● 设置电压衰减器并观察波形，使被显示的波形幅度在5格左右，将衰减器微调顺时针旋足（校正位置）；

● 调整触发电平，使波形稳定；

● 调整扫描控制器，使波形稳定；

● 调整垂直位移，使波形的底部在屏幕中某一水平坐标上（如图1-37中A点所示）；

● 调整水平位移，使波形的顶部在屏幕中央的垂直坐标上（如图1-37中B点所示）；

● 测量垂直方向A-B两点的格数；

● 按公式计算被测信号的峰-峰值：

Up-p=垂直方向的格数×垂直偏转因数

例如：在图1-37中测出A-B两点的垂直格数为4.6格，用1∶1探头，垂直偏转因数为5V/DIV，则Up-p=4.6×5=23V。

③ 测量时间。

如图1-38所示，对一个波形中两点时间间隔的测量，可按下列步骤进行。

● 将被测信号接入CH1或CH2插座，设置垂直方式为被选用的通道；

● 调整触发电平使波形稳定显示；

● 将扫描微调旋钮顺时针旋足（校正位置），调整扫速选择开关，使屏幕显示1～2个信号周期；

● 分别调整垂直位移和水平位移，使波形中需测量的两点位于屏幕中央的水平刻度线上；

● 测量两点间的水平距离，按公式计算出时间间隔：

例如：在图1-38中，测量 A、B两点的水平距离为5格，扫描时间因数为2ms/DIV，水平扩展为×1，则t=5格×2ms/DIV=10ms。

在图1-38的例子中，A、B两点的时间间隔的测量结果即为该信号的周期（T），该信号的频率则为1/T。例如，测出该信号的周期为10ms，则该信号的频率为

4．技能训练

（1）电路原理图

电路原理图如图1-39所示。

（2）装配要求和方法

工艺流程：准备→熟悉工艺要求→绘制装配草图→核对元件数量、规格、型号→元件检测→元器件预加工→万能电路板装配、焊接→总装加工→自检。

具体操作过程详见1.2.3实训项目，图1-40为滤波电路装配草图，表1-8滤波电路为元件清单，图1-41为滤波电路装配好的实物图。

（3）调试、测量

① 接通电源，使用示波器，完成表1-9所列测量项目，绘制相应波形。

② 改变C容量，使用示波器，测量其波形填写完成表1-10，并进行比较。

③ 测量结果参考，如图1-42和图1-43所示。

（4）实训项目考核评价

完成实训项目，填写表1-11。