【任务描述】

（1）掌握滤波概念及其分类。

（2）掌握电容滤波、电感滤波、复式滤波、有源滤波基本组成及分析方法。

【知识学习】

二、滤波电路

整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。

一般直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示：

例如，全波整流输出电压uL可用傅里叶级数展开为：

≈U2（0.9-0.6cos2ωt-0.12cos4ωt-0.05cos6ωt）

其中，基波最大值为0.6U2，直流分量（平均值）为0.9U2，故脉动系数S≈0.67。同理可求得半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57，可见其脉动系数是比较大的。一般电子设备所需直流电源的脉动系数小于0.01，故整流输出的电压必须采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压，这一措施就是滤波。

基本的滤波元件是电感、电容。其滤波原理是：利用这些电抗元件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压变得比较平滑；或从另一角度来看，电容、电感对交、直流成分反映出来的阻抗不同，把它们合理地安排在电路中，即可达到降低交流成分而保留直流成分的目的，体现出滤波作用。

常用的滤波电路分为无源滤波和有源滤波两大类。其中，无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波（包括倒L型LC滤波，π型LC滤波和π型RC滤波等）；有源滤波的主要形式是有源RC滤波。

一、电容滤波

半波整流电容滤波电路如图6.2.1所示。其滤波原理如下：

图6.2.1　半波整流电容滤波电路及其电流电压波形

如图6.2.1所示，电容C并联于负载RL的两端，uL=uC。在没有并入电容C之前，整流二极管在u2的正半周导通，负半周截止。并入电容之后，设在ωt=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管D导通，除有一电流iL流向负载外，还有一电流iC向电容C充电，充电电压uC的极性为上正下负。如忽略二极管的内阻，则uC可充到接近u2的峰值U2m。在u2达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电压uC也将由于放电而逐渐下降，但是由于电容C是通过负载RL放电，放电时间常数较大，使uC的下降速率低于u2的下降速率。当u2＜uC时，D因反偏而截止，于是C以一定的时间常数通过RL按指数规律放电，同时uC下降。直到下一个正半周，当u2＞uC时，D又导通。如此下去，输出电压的波形显然比未并电容C前平滑多了。

全波或桥式整流电容滤波的原理与半波整波电容滤波基本相同，滤波波形如图6.2.2所示。从以上分析可以看出：

（1）加了电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了，而脉动成分降低了，这是由于电容的储能作用造成的。电容在二极管导通时充电（储能），截止时放电（将能量释放给负载），不但使输出电压的平均值增大，而且使其变得比较平滑。

（2）电容的放电时间常数（τ=RL C）愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。故一般C取值较大，RL也要求较大。实际中常按下式来选取C的值：

RL C≥（3～5）＞T（半波）

RL C≥（3～5）T/2（全波、桥式）

（3）电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了，即导通角小于180°。而且，放电时间常数越大，导通角越小。因此，整流二极管流过的是一个很大的冲击电流，对二极管的寿命不利，因此选择二极管时，必须留有较大余量。电容滤波一般适用于负载电流变化不大的场合。

（4）电容滤波电路输出电压的估算：

UL=（0.9～1.0）U2（半波）(www.daowen.com)

UL=（1.1～1.2）U2（全波）

电容滤波电路结构简单、使用方便、应用较广。

图6.2.2　全波整流电容滤波波形图

二、电感滤波电路

带电感滤波的全波整流电路如图6.2.3所示。滤波元件L串接在整流输出与负载RL之间（电感滤波一般不与半波整流搭配）。其滤波原理可用电磁感应原理来解释，当电感中通过交变电流时，电感两端便产生一反电势阻碍电流的变化：当电流增大时，反电势会阻碍电流的增大，并将一部分能量以磁场能量储存起来；当电流减小时，反电势会阻碍电流的减小，电感释放出储存的能量。这就大大减小了输出电流的变化，使其变得平滑，达到滤波目的。当忽略L的直流电阻时，RL上的直流电压UL与不加滤波时负载上的电压相同，即UL=0.9U2

电感滤波原理也可以用电感对交、直流分量感抗不同，使直流顺利通过，使交流得受阻的原理来解释。

与电容滤波相比，电感滤波有以下特点：

（1）电感滤波的外特性和脉动特性好。UL随IL的增大下降不多，基本上是平坦的（下降是L的直流电阻引起的）。

（2）电感滤波电路整流二极管的导通角θ=π。

（3）电感滤波输出电压较电容滤波为低。故一般电感滤波适用于输出电压不高，输出电流较大及负载变化较大的场合。

图6.2.3　全波整流电感滤波电路

三、复式滤波电路

复式滤波电路常用的有LCГ型、LCπ型和RCπ型3种形式，如图6.2.4所示。它们的电路组成原则是，把对交流阻抗大的元件（如电感、电阻）与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件（如电容）与负载并联，以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感滤波类似，这里仅介绍RCπ型滤波。

图6.2.4（c）为RCπ型滤波电路，它实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路。其滤波原理可以这样解释：经过电容C1滤波之后，C1两端的电压包含一个直流分量与交流分量，作为RC2滤波的输入电压，而对直流分量而言，C2可视为开路，对交流分量来说，C2可视通路，这样，RL上就可以得很好的滤波电压。

但是，电阻R要消耗功率，所以电路效率会有所降低。还有，R愈小，输出的直流分量愈大；而RC2愈大，输出的交流分量愈小，滤波效果愈好。所以R受两方面的制约，只能兼顾选择。这种滤波电路较单电容滤波效果好，但也只适用于负载电流不大的场合。

图6.2.4　几种复式滤波电路

四、有源滤波电路

为了提高滤波效果，解决π型RC滤波电路中交、直流分量对R的要求相互矛盾的问题，在RC电路中增加了有源器件-晶体管，形成RC有源滤波电路。常见的RC有源滤波电路如图6.2.5所示，它实质上是由C1、Rb、C2组成的π型RC滤波电路与晶体管T组成的射极输出器联接而成的电路。该电路的优点是：

（1）滤波电阻Rb接于晶体管的基极回路，兼作偏置电阻，由于流过Rb的直流电流很小，为输出直流电流Ie的1/（1+β），故Rb可取较大的值（一般为几十千欧），Rb C2就可以很大，使纹波得以较大的降落，输出的交流分量就很小，这样既不使直流损失太大，滤波效果又很好。

（2）滤波电容C2接于晶体管的基极回路，便可以选取较小的电容，达到较大电容的滤波效果，也减小了电容的体积，便于小型化。如图6.2.5中接于基极的电容C2折合到发射极回路就相当于（1+β）C2的电容的滤波效果（因ie=（1+β）ib之故）。

这种滤波电路滤波特性较好，广泛地应用于一些小型电子设备之中。

图6.2.5　有源滤波电路