整流滤波电容的设计与选用方法研究

电源与新能源 时间:2018-09-07来源:网络

摘要:整流滤波电路是直流稳压电源设备中常用电路,其中滤波电容的设计选取,直接影响到纹波电压的大小,关系到输出直流电压的质量。本文通过在设定条件下,依据整流滤波电路原理,阐述了纹渡电压产生的过程,给出了一种滤波电容设计与选取计算方法,建立了电容选取的计算模型,描绘出了纹波电压、负载电阻与滤波电容之间关系曲线,并通过实验验证其科学性,有利于滤波电容的设计与选用。
关键词:整流电路;滤波电路;滤波电容;纹波电压

整流滤波电路是直流稳压电源设备原理电路的重要组成部分,具有把交流电压转换成直流电压的功能作用。在整流滤波电路中有两部分电路组成,如图1所示:一是整流电路,其作用是把正弦波交流电压(如市电220 V/50 Hz)转变成单向的脉动电压;二是滤波电路,是将单向脉动电压通过滤波形成直流电压。整流滤波电路输出的直流电压,是直流稳压电源设备实现稳压输出的前提。如果整流滤波电路输出的直流电压不能满足稳压电路输出的要求,将导致直流稳压电源设备不能稳压输出。所以,滤波电路的设计,特别是滤波电容的设计与选用显得更加重要。
整流滤波用的电解电容的选取似乎早有定论。即应根据允许的纹波电压来选取容值;对于有维持时间要求的系统,单相整流时一般取1~2μF/W。对于滤波电容C的选取,使用经验公式RC≥(3:5)T/2,并认为滤波电容C越大越好。实验证明这些说法,对于直流稳压电源设备中整流滤波电容的设计与选取是不科学的。因为,滤波电容的容量大小直接影响整流滤波电路输出的纹波电压,应根据对纹波电压的要求及
其直流稳压电源设备输出直流电压指标进行具体的设计与选取。
在图1的滤波电路中,滤波电容C,具有隔直流、通交流的作用,即滤波作用。把整流后的电压中多次谐波滤除,输出“纯净”的直流电压。因此,电容C的设计选择,直接关系到滤波电路输出直流电压的质量。文中结合稳压电路的要求,针对整流滤波电路,就滤波电容C的设计与选取展开了分析与研究。

1 滤波电容的设计
整流滤波电路的原理如图1所示,主要有D1~D4二极管、滤波电容C和负载电阻RFZ组成。如果负载电阻RFZ等效为电源设备的稳压电路,就对滤波电路提出指标要求。在整流电路输出电压、功率保证的情况下,主要是对纹波电压的要求。纹波电压是指滤波电路、稳压电路输出直流电压含有的波动电压,如图2所示。如果滤波电路输出的纹波电压过大,将导致稳压电路输出纹波电压增大,甚至难以稳压。纹波电压是由整流输出的单相脉动电压对滤波电容C的充电、放电过程产生的;在负载RFZ不变的条件下,电容C的大小决定着纹波电压的高低。可见,电容C的设计,应依据纹波电压的要求来设计。


1.1 滤波电容充电、放电过程
针对图1滤波电路,用示波器测试的波形图分析C的充电、放电过程更为直观。当K断开时,全波整流电路输出的电压波形,即为滤波电路的输入电压ui,如图2所示,是把输入的正弦波电压Ui(有效值)图2的①转变成频率为100 Hz的单向脉动电压,如图2的②。当K接通时,滤波电路输出的直流电压为U0,并叠加有纹波电压△U,如图2的③。如果图2中的②和③重叠后,在示波器上就会出现图2中的④波形图。从图2的④中就可分析出电容C的充电与放电过程。
图2的④,为图1电路处于稳态时输出的Uc电压波形,△U是纹波电压.其幅度决定于C和负载RFZ的大小。如图2所示,当处在0~t1,U0= Uc>ui,C处于放电过程,D1~D4均处于截止状态;在t1~t2,ui≥U0=Uc,C处于充电过程,D2、D3处于导通状态,D1、D4处于截止状态;在t2~t3,ui≤U0=Uc,C随ui规律放电,仍存在D2、D3处于导通状态,D1、D4处于截止状态;在t3~t4,uiU0=Uc,C处于放电过程,D1~D4处于截止状态。从t4后开始,其过程同t1~t4。可以看出从t1~t3期间,是电容C充电过程,纹波电压的变化规律和ui(ui=U0=Uc)相同;在t3~t4期间,Uc按指数规律下降,时间常数为τ=RFZC。
1.2 滤波电容的计算方法与模型
从电容C充放电过程可以看出,在t1~t2期间,是电容C充电过程,纹波电压△U的变化规律和ui基本相同。在t3~t4期间,纯粹是电容C放电过程。其计算模型为:

结合图1整流滤波电路,依据图2的④滤波电容充电、放电原理,运用(1)计算模型,对C的进行计算,其计算方法如下:
如图2的④波形,在t1~t2过程中,△U的变化规律和ui基本相同,符合正弦变化规律,其电容C充电两端的电压为:

因为Ui经全波整流后,变成了单相脉冲,频率为100 Hz,周期为T/2=0.01s(T=1/50);如图2的④波形,纹波电压△U在t1~t4为一个波形周期,所以t1与t4时刻的Uc值相同。
从波形中分析出,在t2~t3期间内,对C的充电、放电过程同时进行,由于t3-t2小小于t4-t2,所以,可近似为t2~t4为放电过程,有模型(1)得到(5):

1.3 滤波电容的仿真计算
设:Ui=15 V,f=50 Hz,ω=2πf。
运用Matlab运算工具,对关系式(7)和(8)进行运算,得到图3曲线。


当纹波电压△U一定时,即选定△U分别为Uc10%、Uc20%、Uc30%时,在分别取RFZ为不同值,得到一系列滤波电容C值,如图3①所示。
当滤波电容C一定时,即选定C分别为3 500μF、3 000μF、2 500μF,在分别取不同的,即不同的纹波电压参数,得到一系列负载RFZ的值,如图3②所示。
当负载功率一定时,即分别取RFZ为20 Ω、15 Ω、10 Ω,分别取不同的△U,即不同的纹波电压参数,同样得到一系列滤波电容C值,如图3③所示。
通过图3可以看出,在RFZ、C与△U之间,如果知道2个参数就可以查到第3个参数值。比如:△U为Uc的20%、RFZ为15 Ω时,从图3①中就可以查到C为2 300μF;如果RFZ为20 Ω、C为3 500μF时。从图3②中就可以查到△U为1.8 V;如果要求△U为1.5 V、选C为4 700 μF时,则Rvz在20 Ω左右。

2 滤波电容设计计算的实验验证
结合图1所示电路原理,按照图3查出的相关参数进行实验验证,以证明所建立模型的正确性。实验验证数据如表1所示。


可见,在选定的参数情况下,通过图3查找曲线相应参数值,进行电路实验验证,所得出的数据与之相符,说明所建立的模型(8)与运算所绘出的滤波电容C、负载RFZ、△U三者关系曲线具有科学性性,能够进行整流滤波电路中C的设计与选取。

3 结束语
在电源设备的整流滤波电路中,滤波电容C的选取,一般依据输出直流电压、负载RFZ大小及对纹波电压△U的要求进行设计的。本文依据整流滤波电路原理和滤波电容的作用,分析了纹波电压产生的过程,说明了纹波电压△U与RFZ、C的关系,建立了Uc与RFZ、C和的模型,给出了相应关系曲线图;在输入电压Ui一定的条件下,可以查出与RFZ、C的值,并通过仿真计算和实验验证,证明了上述建立的模型、仿真关系曲线的科学性,有利于在滤波电容C设计与选取。

关键词: 整流滤波 电容 方法研究

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