楊松
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電源濾波器,又名“電源EMI濾波器”,或是“EMI電源濾波器”,是一種無源雙向網(wǎng)絡(luò),是一種對(duì)電源中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電氣設(shè)備。一般是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò),實(shí)際上是濾波器的一種,按照工作原理稱之為反射式濾波器。它可以在濾波器阻帶內(nèi)提供了高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗,使它和噪聲源的阻抗和負(fù)載阻抗嚴(yán)重不匹配,從而把不希望的頻率分量發(fā)射回噪聲源。下面介紹其的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)圖吧:
1.AC輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)
防雷電路:當(dāng)有雷擊,產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí),由MOV1、MOV2、MOV3:F1、F2、F3、FDG1組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時(shí),其阻值降低,使高壓能量消耗在壓敏電阻上,若電流過大,F(xiàn)1、F2、F3會(huì)燒毀保護(hù)后級(jí)電路。電路設(shè)計(jì)原理如圖1所示:
圖1 AC輸入整流濾波電路原理圖
輸入濾波電路:C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制,防止對(duì)電源干擾,同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間,要對(duì)C5充電,由于瞬間電流大,加RT1(熱敏電阻)就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在RT1電阻上,一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減小(RT1是負(fù)溫系數(shù)元件),這時(shí)它消耗的能量非常小,后級(jí)電路可正常工作。
整流濾波電路:交流電壓經(jīng)BRG1整流后,經(jīng)C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小,輸出的交流紋波將增大。
2.DC輸入濾波電路設(shè)計(jì)
圖2 DC輸入濾波電路原理圖
如圖2所示,輸入濾波電路:C1、L1、C2組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制,防止對(duì)電源干擾,同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。C3、C4為安規(guī)電容,L2、L3為差模電感。R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機(jī)的瞬間,由于C6的存在Q2不導(dǎo)通,電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當(dāng)C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時(shí)Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級(jí)電路短路現(xiàn)象,在起機(jī)的瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大,Q1導(dǎo)通使Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)通,RT1將會(huì)在很短的時(shí)間燒毀,以保護(hù)后級(jí)電路。
3.電子濾波器設(shè)計(jì)
圖3所示是電子濾波器。電路中的VT1是三極管,起到濾波管作用,C1是VT1的基極濾波電容,R1是VT1的基極偏置電阻,RL是這一濾波電路的負(fù)載,C2是輸出電壓的濾波電容。
圖3 電子濾波器原理圖
電子濾波電路工作原理如下:
?、匐娐分械腣T1、R1、C1組成電子濾波器電路,這一電路相當(dāng)于一只容量為C1×β1大小電容器,β1為VT1的電流放大倍數(shù),而晶體管的電流放大倍數(shù)比較大,所以等效電容量很大,可見電子濾波器的濾波性能是很好的。等效電路如圖6(b)所示。圖中C為等效電容。
?、陔娐分械腞1和C1構(gòu)成一節(jié)RC濾波電路,R1一方面為VT1提供基極偏置電流,同時(shí)也是濾波電阻。由于流過R1的電流是VT1的基極偏置電流,這一電流很小,R1的阻值可以取得比較大,這樣R1和C1的濾波效果就很好,使VT1基極上直流電壓中的交流成分很少。由于發(fā)射極電壓具有跟隨基極電壓的特性,這樣VT1發(fā)射極輸出電壓中交流成分也很少,達(dá)到濾波的目的。
?、墼陔娮訛V波器中,濾波主要是靠R1和C1實(shí)現(xiàn)的,這也是RC濾波電路,但與前面介紹的RC濾波電路是不同的。在這一電路中流過負(fù)載的直流電流是VT1的發(fā)射極電流,流過濾波電阻R1的電流是VT1基極電流,基極電流很小,所以可以使濾波電阻R1的阻值設(shè)得很大(濾波效果好),但不會(huì)使直流輸出電壓下降很多。
④電路中的R1的阻值大小決定了VT1的基極電流大小,從而決定了VT1集電極與發(fā)射極之間的管壓降,也就決定了VT1發(fā)射極輸出直流電壓大小,所以改變R1的大小,可以調(diào)整直流輸出電壓+V的大小。
4.電子穩(wěn)壓濾波器設(shè)計(jì)
圖4 電子穩(wěn)壓濾波器原理圖
圖4所示是另一種電子穩(wěn)壓濾波器,與前一種電路相比,在VT1基極與地端之間接入了穩(wěn)壓二極管VD1。電子穩(wěn)壓原理如下:
在VT1基極與地端之間接入了穩(wěn)壓二極管VD1后,輸入電壓經(jīng)R1使穩(wěn)壓二極管VD1處于反向偏置狀態(tài),此時(shí)VD1的穩(wěn)壓特性使VT1管的基極電壓穩(wěn)定,這樣VT1發(fā)射極輸出的直流電壓也比較穩(wěn)定。注意:這一電壓的穩(wěn)定特性是由于VD1的穩(wěn)壓特性決定的,與電子濾波器電路本身沒有關(guān)系。
R1同時(shí)還是VD1的限流保護(hù)電阻。在加入穩(wěn)壓二極管VD1后,改變R1的大小不能改變VT1發(fā)射極輸出電壓大小,由于VT1的發(fā)射結(jié)存在PN結(jié)電壓降,所以發(fā)射極輸出電壓比VD1的穩(wěn)壓值略小。
C1、R1與VT1同樣組成電子濾波器電路,起到濾波作用。
在有些場(chǎng)合下,為了進(jìn)一步提高濾波效果,可采用雙管電子濾波器電路,2只電子濾波管構(gòu)成了復(fù)合管電路。這樣總的電流放大倍數(shù)為各管電流放大倍數(shù)之積,顯然可以提高濾波效果。
5.電容濾波設(shè)計(jì)
如圖5(a)所示。是單向脈動(dòng)性直流電壓波形,從圖中可以看出,電壓的方向性無論在何時(shí)都是一致的,但在電壓幅度上是波動(dòng)的,就是在時(shí)間軸上,電壓呈現(xiàn)出周期性的變化,所以是脈動(dòng)性的。但根據(jù)波形分解原理可知,這一電壓可以分解一個(gè)直流電壓和一組頻率不同的交流電壓,如圖5(b)所示。在圖1(b)中,虛線部分是單向脈動(dòng)性直流電壓U。中的直流成分,實(shí)線部分是UO中的交流成分。
圖5 單向脈動(dòng)性電壓的分解
電容濾波原理
根據(jù)以上的分析,由于單向脈動(dòng)性直流電壓可分解成交流和直流兩部分。在電源電路的濾波電路中,利用電容器的“隔直通交”的特性和儲(chǔ)能特性,或者利用電感“隔交通直”的特性可以濾除電壓中的交流成分。圖6所示是電容濾波原理圖。
圖6(a)為整流電路的輸出電路。交流電壓經(jīng)整流電路之后輸出的是單向脈動(dòng)性直流電,即電路中的UO。圖6(b)為電容濾波電路。由于電容C1對(duì)直流電相當(dāng)于開路,這樣整流電路輸出的直流電壓不能通過C1到地,只有加到負(fù)載RL圖為RL上。對(duì)于整流電路輸出的交流成分,因C1容量較大,容抗較小,交流成分通過C1流到地端,而不能加到負(fù)載RL。這樣,通過電容C1的濾波,從單向脈動(dòng)性直流電中取出了所需要的直流電壓+U。
濾波電容C1的容量越大,對(duì)交流成分的容抗越小,使殘留在負(fù)載RL上的交流成分越小,濾波效果就越好。
圖6 電容濾波原理圖
6.電感濾波設(shè)計(jì)
圖7所示是電感濾波原理圖。由于電感L1對(duì)直流電相當(dāng)于通路,這樣整流電路輸出的直流電壓直接加到負(fù)載RL上。
圖7 電感濾波原理圖
對(duì)于整流電路輸出的交流成分,因L1電感量較大,感抗較大,對(duì)交流成分產(chǎn)生很大的阻礙作用,阻止了交流電通過C1流到加到負(fù)載RL。這樣,通過電感L1的濾波,從單向脈動(dòng)性直流電中取出了所需要的直流電壓+U。濾波電感L1的電感量越大,對(duì)交流成分的感抗越大,使殘留在負(fù)載RL上的交流成分越小,濾波效果就越好,但直流電阻也會(huì)增大。
7.π型RC濾波電路設(shè)計(jì)
圖8所示是π型RC濾波電路。電路中的C1、C2和C3是3只濾波電容,R1和R2是濾波電阻,C1、R1和C2構(gòu)成第一節(jié)π型的RC濾波電路,C2、R2和C3構(gòu)成第二節(jié)π型RC濾波電路。由于這種濾波電路的形式如同希臘字母π和采用了電阻器、電容器,所以稱為π型RC濾波電路。
圖8 π型RC濾波電路原理圖
π型RC濾波電路原理如下:
(1)這一電路的濾波原理是:從整流電路輸出的電壓首先經(jīng)過C1的濾波,將大部分的交流成分濾除,然后再加到由R1和C2構(gòu)成的濾波電路中。C2的容抗與R1構(gòu)成一個(gè)分壓電路,因C2的容抗很小,所以對(duì)交流成分的分壓衰減量很大,達(dá)到濾波目的。對(duì)于直流電而言,由于C2具有隔直作用,所以R1和C2分壓電路對(duì)直流不存在分壓衰減的作用,這樣直流電壓通過R1輸出。
(2)在R1大小不變時(shí),加大C2的容量可以提高濾波效果,在C2容量大小不變時(shí),加大R1的阻值可以提高濾波效果。但是,濾波電阻R1的阻值不能太大,因?yàn)榱鬟^負(fù)載的直流電流要流過R1,在R1上會(huì)產(chǎn)生直流壓降,使直流輸出電壓Uo2減小。R1的阻值越大,或流過負(fù)載的電流越大時(shí),在R1上的壓降越大,使直流輸出電壓越低。
(3)C1是第一節(jié)濾波電容,加大容量可以提高濾波效果。但是C1太大后,在開機(jī)時(shí)對(duì)C1的充電時(shí)間很長(zhǎng),這一充電電流是流過整流二極管的,當(dāng)充電電流太大、時(shí)間太長(zhǎng)時(shí),會(huì)損壞整流二極管。所以采用這種π型RC濾波電路可以使C1容量較小,通過合理設(shè)計(jì)R1和C2的值來進(jìn)一步提高濾波效果。
(4)這一濾波電路中共有3個(gè)直流電壓輸出端,分別輸出Uo1、Uo2和Uo3三組直流電壓。其中,Uo1只經(jīng)過電容C1濾波;Uo2則經(jīng)過了C1、R1和C2電路的濾波,所以濾波效果更好,Uo2中的交流成分更小;Uo3則經(jīng)過了2節(jié)濾波電路的濾波,濾波,所以Uo3中的交流成分最少。
(5)3個(gè)直流輸出電壓的大小是不同的。Uo1電壓,一般這一電壓直接加到功率放大器電路,或加到需要直流工作電壓、工作電流最大的電路中;Uo2電壓稍低,這是因?yàn)殡娮鑂1對(duì)直流電壓存在電壓降;Uo3電壓,這一電壓一般供給前級(jí)電路作為直流工作電壓,因?yàn)榍凹?jí)電路的直流工作電壓比較低,且要求直流工作電壓中的交流成分少。
8.π型LC濾波電路設(shè)計(jì)
圖9所示是π型LC濾波電路。π型LC濾波電路與π型RC濾波電路基本相同。這一電路只是將濾波電阻換成濾波電感,因?yàn)闉V波電阻對(duì)直流電和交流電存在相同的電阻,而濾波電感對(duì)交流電感抗大,對(duì)直流電的電阻小,這樣既能提高濾波效果,又不會(huì)降低直流輸出電壓。
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