電容器平滑處理：半波整流器和全波整流器操作的比較

在電源中，無論是線性電源還是使用交流電源和二極管整流器的開關模式電源，在應用于任何穩壓器或其他類似電子電路之前，通常使用儲能電容器對原始整流輸出進行平滑處理。

鋁電解電容器是用作平滑電容器的理想選擇，因為許多電解電容器能夠提供足夠高的電容并承受平滑波形所需的紋波電流水平。

從本質上講，平滑電路填補了原始整流波形中的主要驟降，以便線性穩壓器或開關模式電源電路能夠正常工作。

平滑電容器將波形從輸入功率波形周期內從零變化到峰值電壓的波形更改為電壓變化非常小的波形。從本質上講，它們平滑了波形，這就是名稱的由來。

由于平滑電容器用于線性穩壓電源和開關模式電源，因此它們構成了許多此類電子電路的重要組成部分。

電容平滑用于大多數類型的電源，無論是線性穩壓電源、開關模式電源，還是只是平滑和非穩壓形式的電源。

二極管整流器本身提供的原始直流電由一系列半正弦波組成，其電壓在 RMS 電壓的 0 到 √2 倍之間變化（忽略任何二極管和其他損耗）。

這種性質的波形對于為電路供電沒有任何用處，因為任何模擬電路都會在輸出上疊加巨大的紋波水平，并且任何數字電路都無法工作，因為電源每半個周期就會被移除。

電容平滑使線性穩壓電源或開關模式電源的以下階段能夠正常工作。

為了平滑整流器的輸出，使用了一個儲能電容器 - 放置在念珠的輸出端并與負載并聯。

平滑之所以有效，是因為當整流器的電壓上升到電容器的電壓以上時，電容器就會充電，然后當整流器電壓下降時，電容器會從其存儲的電荷中提供所需的電流。

帶平滑電容的全波整流器

這樣，電容器能夠在整流器不可用時提供電荷，因此電壓變化比沒有電容器時要小得多。

電容器平滑不會提供總電壓穩定性，電壓總會有一些變化。事實上，電容的值越高，平滑越大，消耗的電流越少，平滑越好。

儲能電容器的平滑作用

應該記住，除了內部泄漏之外，電容器放電的唯一途徑是通過負載到整流器/平滑系統。二極管可防止通過變壓器等的回流。

需要記住的另一點是，電容器平滑不會提供任何形式的調節，電壓會根據負載和任何輸入變化而變化。

電壓調節可由線性穩壓器或開關模式電源提供。

半波和全波整流

可以使用半波或全波整流器系統。對于半波整流，一半的波形被阻擋而不使用。這意味著波形由一系列間隔為半波形的半波形組成。

半波整流器和全波整流器操作的比較

全波整流利用波形的兩半，并且在沒有提供電壓的情況下沒有大的間隙。

使用全波整流不僅效率更高，而且由于波形峰值之間的間隙較小，因此還可以實現更好的平滑。

全波整流器可實現更好的平滑

在可能的情況下，全波整流總是可取的，因為它可以實現更好的平滑。

也可以看出，半波整流器輸出的基本波形頻率與輸入頻率相同。對于全波整流器，它是兩倍的，因為使用了波形的后半部分，并且峰值出現在輸入頻率的兩倍處。

平滑電容值

電容器值的選擇需要滿足許多要求。在第一種情況下，必須選擇該值，使其時間常數遠遠長于整流波形的連續峰值之間的時間間隔：

其中：

R負荷= 電源

負載的總電阻 C = 電容值（法拉

） f = 紋波頻率 - 這將是使用全波整流器的線路頻率的兩倍。

平滑電容紋波電壓

由于使用平滑電容器電路的整流器輸出端總會有一些紋波，因此有必要能夠估計近似值。過高地指定電容器會增加額外的成本、尺寸和重量，而過低的規格則會導致性能不佳。

電源上平滑電容輸出的峰峰值紋波（全波）

上圖顯示了具有電容平滑功能的全波整流器的紋波。如果使用半波整流器，則將缺少一半的峰值，紋波大約是電壓的兩倍。

對于紋波與電源電壓相比較小的情況（幾乎總是如此），可以根據對電路條件的了解來計算紋波：

全波整流器

半波整流器

這些方程式提供了足夠的精度。雖然純阻性負載的電容放電是指數級的，但對于低紋波值，線性近似引入的誤差非常小。

還值得記住的是，穩壓器的輸入不是純電阻負載，而是恒流負載。最后，用于整流器平滑電路的電解電容器的容差很大，最多±20%，這將掩蓋方程中假設引入的任何不準確之處。

紋波電流

電容器的兩個主要規格是其電容和工作電壓。然而，對于可能有大電流流動的應用，例如整流器平滑電容器，第三個參數很重要 - 其最大紋波電流。

紋波電流不僅等于電源電流。有兩種情況：

電容放電電流：在放電循環中，當整流器電路的輸出降至零時，電容器提供的最大電流就會出現。此時，來自電路的所有電流均由電容器提供。這等于電路的全部電流。

電容器在放電階段提供的峰值電流

電容充電電流：在平滑電容器的充電周期中，電容器需要補充所有損失的電荷，但只有當整流器的電壓超過平滑電容器的電壓時才能實現這一點。這只發生在周期的短時間內。因此，這一時期的電流要高得多。電容器越大，紋波降低效果越好，充電周期越短。

較短的充電時間會產生非常大的峰值電流水平，因為平滑電容器需要在很短的時間內吸收足夠的電荷用于放電周期。

電源電容器充電的時間

Pi 截面平滑網絡

在某些應用中，不會使用線性穩壓器，可能需要改進的平滑形式。這可以通過使用兩個電容器和一個串聯電感器或電阻器來提供。

平滑電源方法用于一些高壓系統和其他一些專業領域，但它并不像線性穩壓電源和開關模式電源那樣普遍，后者提供更好的調節和平滑。

這種方法也可以在許多老式無線設備中看到，在這些設備中使用線性穩壓電源是不可行的。

Pi 截面平滑濾波器

π截面平滑系統有兩種選擇。在線路和接地之間有兩個電容器，串聯元件要么是電感器，要么是電阻器。電感器的成本更高，性能更好，但電阻器是一個更便宜的選擇，盡管它確實消耗了更多的功率。

平滑電容器是線性電源和開關電源的基本元件，因此它們被廣泛使用。

在為電源中的平滑應用選擇儲能電容器時，電容值不僅對于降低所需的紋波電壓很重要，而且確保不超過電容器紋波電流額定值也非常重要。如果消耗過多的電流，電容器會發熱并縮短其預期壽命，或者在極端情況下可能會發生故障，有時甚至是災難性的。

審核編輯：黃飛