電源濾波電容的選取和選擇

在整流濾波電路中，濾波電容的選取多是使用公式RC≥（3～5）T/2，且在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，一些人也認(rèn)為濾波電容越大越好，其實(shí)這種想法是片面的，本文將對(duì)這一問題進(jìn)行深入的探討。文章首先闡述了研究濾波電容選取的必要性，其次對(duì)電路進(jìn)行了理論上的分析和計(jì)算，然后，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果編寫程序，模擬電路的工作過程。最后，通過舉例討論濾波電容對(duì)電路中的電流、電壓及對(duì)其它元件參數(shù)的影響，從而為優(yōu)化電路設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：整流；濾波；濾波電容
一、引言
在大多數(shù)電源電路中，整流電路后都要加接濾波電路，以減小整流電壓的脈動(dòng)程度，滿足穩(wěn)壓電路的需要。在許多文獻(xiàn)中，對(duì)于濾波電容C的選取，多是使用經(jīng)驗(yàn)公式RC≥（3～5）T/2[1,2]，并認(rèn)為濾波電容C越大越好；在一些濾波電路的維修中，技術(shù)人員經(jīng)常用比原電路容量大的電容來代替已壞掉的電容。實(shí)踐證明，在很多情況下這樣做是行不通的，電容的選取是否越大越好？電容的選擇對(duì)前級(jí)器件及整體電源的性能有何影響？電容的選取是否有最佳值？本文將對(duì)這些問題進(jìn)行深入的討論。
如圖1所示的簡單整流濾波電路，理論上講，增大電路中的濾波電容C容量的確可以使輸出電壓的波形變得更為平滑、起伏更小，但在電路接通瞬間，電路中所產(chǎn)生的沖擊電流因素卻不能被忽略，這是因?yàn)?，幾乎所有?a target="_blank">電子元器件都有其可以通過的最大電流值，所以，在選擇電子元器件時(shí)，必須考慮沖擊電流所帶來的流過相關(guān)元器件瞬間電流的最大值，沖擊電流越大，對(duì)電子元器件的要求就越高，電路的成本就會(huì)提高。
在一些濾波電路的維修中，對(duì)濾波電容的替換也存在沖擊電流的問題，用大容量的濾波電容代替原來的電容，會(huì)使沖擊電流增大，在不更換其他元件的前提下，單純提高濾波電容的容量是危險(xiǎn)的，它將使整個(gè)電路的實(shí)際使用壽命大大縮短，甚至燒毀整個(gè)電路。況且，單純地提高濾波電容的容量對(duì)改善輸出電壓的作用也是有限的，一味地加大濾波電容的容量，只是徒勞地增加電路的成本。
二、簡單濾波電路的計(jì)算

圖 2
如圖所示的簡單整流濾波電路，以常見的220v50Hz正弦交流電為輸入電壓。
1．充電電路的計(jì)算
在電容的充電過程中,二極管等效電阻為R1，則電路等效為圖2
由圖2得
將其帶入U(xiǎn)表達(dá)式并整理得：
這是一階非齊次微分方程，其解為： =

2．放電電路的計(jì)算
在電容的放電過程中，電容只和電阻組成回路，其放電方程為：
其中，U為電容充電時(shí)達(dá)到的最大電壓。
三、濾波電路的計(jì)算機(jī)模擬與討論
在前面我們已經(jīng)對(duì)濾波電路的工作過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而要將濾波電路的工作過程模擬下來，必須進(jìn)行大量的計(jì)算，才能夠?qū)㈦娫摧敵霾ㄐ沃瘘c(diǎn)描繪下來。通過對(duì)波形的觀察，選擇元件參數(shù)，使電路在正常工作的前提下，滿足用戶對(duì)電路在效率、功率、紋波、成本等多方面的要求。下面就程序的構(gòu)思及應(yīng)用做簡要說明。
圖1即為程序所模擬的電路，通過對(duì)程序的運(yùn)行，我們將獲得電容C上的一組電壓、電流數(shù)據(jù)，通過大量小間隔時(shí)間t（0.00001秒）的代入即可得到電容C的電流及電壓波形。程序電壓值的計(jì)算由遞推法得出，電流值由電壓值計(jì)算得到。
程序運(yùn)行的簡單流程圖如下：

圖3
1． 計(jì)算機(jī)程序優(yōu)化元件選取舉例
選取負(fù)載電阻R=500Ω，由計(jì)算機(jī)模擬不同電容情況下的電壓和電流波形得如下各圖：
（1）R=500Ω,C=100uF
圖4
（2）R=500Ω,C=200uF
圖5
（3）R=500Ω,C=500uF
圖6
（4）R=500Ω,C=1000uF
圖7
2．整流濾波電路中濾波電容選取的討論
由上邊的圖象可以觀察到：當(dāng)負(fù)載電阻不變時(shí)，隨著電容C容量的增大，曲線變得越來越平滑，但這種方法有一定的片面性，由圖6、圖7可見：單純靠增大濾波電容對(duì)改善波形和提升直流電壓值的作用已十分有限，而且隨著電容C容量的增大，電路接通后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也隨之增長；同時(shí)，隨著濾波電容容量的增大，流經(jīng)電路的沖擊電流也不斷增大，如果不注意沖擊電流的變化，而一味地增大濾波電容的容量，以此來獲得更好的電壓輸出波形，則必然會(huì)導(dǎo)致因沖擊電流過大，而損壞電流流經(jīng)的元器件，否則，為保障整個(gè)電路的安全，我們不得不提高其他元器件的指標(biāo)，這樣就使電路的成本大幅增加。因此，為使整流濾波電路能達(dá)到最高性價(jià)比，必須選取一個(gè)能和負(fù)載電阻R匹配的電容值，這樣，既能使電路的輸出電壓達(dá)到要求，又不提高其他元器件的性能指標(biāo)，使電路達(dá)到最佳的性價(jià)比。應(yīng)用此程序可以準(zhǔn)確快速地繪制出所示電路在任意給定的參數(shù)下的電流波形和輸出電壓波形，我們可以比較不同參數(shù)電路輸出電壓波形和電流波形，從而確定最佳的濾波電容參數(shù)值。