一文了解四種常見濾波電路

有源濾波電路

為了提高濾波效果，解決π型RC濾波電路中交、直流分量對R的要求相互矛盾的問題，在RC電路中增加了有源器件-晶體管，形成了RC有源濾波電路。常見的RC有源濾波電路如圖Z0716所示。

它實質(zhì)上是由C1、Rb、C2組成的π型RC濾波電路與晶體管T組成的射極輸出器聯(lián)接而成的電路。該電路的優(yōu)點是：

1.濾波電阻Rb 接于晶體管的基極回路，兼作偏置電阻，由于流過Rb 的電流入很小，為輸出電流Ie的1/(1+β)，故Rb可取較大的值(一般為幾十k Ω)，既使紋波得以較大的降落，又不使直流損失太大。

2.濾波電容C2接于晶體管的基極回路，便可以選取較小的電容，達到較大電容的濾波效果，也減小了電容的體積，便于小型化。如圖中接于基極的電容C2 折合到發(fā)射極回路就相當于(1+β)C2的電容的濾波效果(因 ie = (1+ β )ib之故)。

3.由于負載凡接于晶體管的射極，故 RL上的直流輸出電壓UE≈UB，即基本上同RC無源濾波輸出直流電壓相等。

這種濾波電路濾波特性較好，廣泛地用于一些小型電子設備之中。

復式濾波電路

復式濾波電路常用的有LCГ型、LCπ型和RCπ 型3種形式，如圖Z0715所示。它們的電路組成原則是，把對交流阻抗大的元件(如電感、電阻)與負載串聯(lián)，以降落較大的紋波電壓，而把對交流阻抗小的元件(如電容)與負載并聯(lián)，以旁路較大的紋波電流。其濾波原理與電容、電感濾波類似，這里僅介紹RCπ型濾波。

圖Z0715(c)為RCπ型濾波電路，它實質(zhì)上是在電容濾波的基礎上再加一級RC濾波電路組成的。其濾波原理可以這樣解釋：經(jīng)過電容C1濾波之后，C1兩端的電壓包含一個直流分量 與交流分量 ，作為RC2濾波的輸入電壓。對直流分量而言，C2 可視為開路，RL上的輸出直流電壓為：

對于交流分量 而言，其輸出交流電壓為：

由式可見，R愈小，輸出的直流分量愈大;由式 可見，RC2愈大，輸出的交流分量愈小。濾波效果愈好。所以R受兩方面的制約，只能兼顧選擇。這種濾波電路較單電容濾波效果好，、但也只適用于負載電流不大的場合。

電感濾波電路

帶電感濾波的全波整流電路如圖Z0713 所示。濾波元件L串在整流輸出與負載RL之間(電感濾波一般不與半波整流搭配)。其濾波原理可用電磁感應原理來解釋。當電感中通過交變電流時，電感兩端便產(chǎn)生出一反電勢阻礙電流的變化：當電流增大時，反電勢會阻礙電流的增大，并將一部分能量以磁場能量儲存起來;當電流減小時，反電勢會阻礙電流的減小，電感釋放出儲存的能量。這就大大減小了輸出電流的變化，使其變得平滑，達到了濾波目的。當忽略L的直流電阻時，RL上的直流電壓UL與不加濾波時負載上的電壓相同，即UL =0.9U2 GS0718

電感濾波原理，也可以用電感對交、直流分量感抗不同，使直流順利通過，使交流得受阻的原理來解釋。

與電容濾波相比，電感濾波有以下特點：

1.電感濾波的外特性和脈動特性好。其外特性和脈動特性如圖Z0714 所示。UL隨IL的增大下降不多，基本上是平坦的(下降是L的直流電阻引起的);S隨IL的增大而減小。

2.電感濾波電路整流二極管的導通角 θ=π。

3.電感濾波輸出電壓較電容濾波為低。故一般電感濾波適用于輸出電壓不高，輸出電流較大及負載變化較大的場合。

電容濾波電路

整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動成分較大，在一些要求直流電平滑的場合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動成分。

一般直流電中的脈動成分的大小用脈動系數(shù)來表示：

其中基波最大值為0.6U2，直流分量(平均值)為0.9 U2，故脈動系數(shù)S≈0.67 。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動系數(shù)為S=1.57，可見其脈動系數(shù)是比較大的。一般電子設備所需直流電源的脈動系數(shù)小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。這一措施就是濾波。

最基本的濾波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑;或從另一角度來看，電容、電感對交、直流成分反映出來的阻抗不同，把它們合理地安排在電路中，即可達到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波作用。

常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。其中無源濾波的主要形式有電容濾波，電感濾波和復式濾波(包括倒L型LC濾波，π型LC濾波和π型RC濾波等)。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。

電容濾波

半波整流電容濾波電路如圖Z0710所示。其濾波原理如下：

電容C并聯(lián)于負載 RL的兩端，uL=uC。在沒有并入電容C之前，整流二極管在u2的正半周導通，負半周截止，輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后，設在 ωt=0時接通電源，則當u2由零逐漸增大時，二極管D導通，除有一電流iL流向負載以外還有一電流iC向電容C充電，充電電壓uC的極性為上正下負。如忽略二極管的內(nèi)阻，則uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 達到最大值以后開始下降，此時電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當u2uc時，D又導通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中藍線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。

全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同，濾波波形如圖Z0711 所示。

從以上分析可以看出：

加了電容濾波之后，輸出電壓的直流成分提高了，而脈動成分降低了。這都是由于電容的儲能作用造成的。電容在二極管導通時充電(儲能)，截止時放電(將能量釋放給負載)，不但使輸出電壓的平均值增大，而且使其變得比較平滑了。

2.電容的放電時間常數(shù)(τ=RLC)愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動成分也愈少，即濾波效果愈好。故一般C取值較大，RL也要求較大。實際中常按下式來選取C的值：

RLC≥(3～5>T(半波) GS0714

RLC≥(3～5)T/2(全波、橋式) GS0715

3.電容濾波電路中整流二極管的導電時間縮短了，即導通角小于180°。而且，放電時間常數(shù)越大，導通角越小。因此，整流二極管流過的是一個很大的沖擊電流，對管子的壽命不利，選擇二極管時，必須留有較大余量。

4. 電容濾波電路的外特性(指UL與IL之間的關系)和脈動特性(指S與IL 之間的關系)比較差，如圖Z0712 所示?？梢钥闯鲚敵鲭妷篣L和脈動系數(shù)S隨著輸出電流IL 的變化而變化。當IL=0(即RL= ∞ )時，UL = U2(電容充電到最大值后不再放電)，S = 0。當IL增大(即RL減小)時，由于電容放電程度加快而使UL下降，UL 的變化范圍在 U2 ～0.9 U2之間(指全波或橋式)，S變大。所以，電容濾波一般適用于負載電流變化不大的場合。

5.電容濾波電路輸出電壓的佑算。如果電容濾波電路的放電時間常數(shù)按式GS0714或GS0715 取值的話，則輸出電壓分別為：

UL=(0.9～1.0)U2 (半波) GS0716

UL=(1.1～1.2)U2 (全波) GS0717

電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、應用較廣。