電源濾波電容的選取和選擇

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，且在實際電路設計中，一些人也認為濾波電容越大越好，其實這種想法是片面的，本文將對這一問題進行深入的探討。文章首先闡述了研究濾波電容選取的必要性，其次對電路進行了理論上的分析和計算，然后，根據理論計算結果編寫程序，模擬電路的工作過程。最后，通過舉例討論濾波電容對電路中的電流、電壓及對其它元件參數的影響，從而為優化電路設計奠定了基礎。
關鍵詞：整流；濾波；濾波電容
一、引言
在大多數電源電路中，整流電路后都要加接濾波電路，以減小整流電壓的脈動程度，滿足穩壓電路的需要。在許多文獻中，對于濾波電容C的選取，多是使用經驗公式RC≥（3～5）T/2[1,2]，并認為濾波電容C越大越好；在一些濾波電路的維修中，技術人員經常用比原電路容量大的電容來代替已壞掉的電容。實踐證明，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？電容的選擇對前級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？本文將對這些問題進行深入的討論。
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，電路中所產生的沖擊電流因素卻不能被忽略，這是因為，幾乎所有的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，必須考慮沖擊電流所帶來的流過相關元器件瞬間電流的最大值，沖擊電流越大，對電子元器件的要求就越高，電路的成本就會提高。
在一些濾波電路的維修中，對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的，它將使整個電路的實際使用壽命大大縮短，甚至燒毀整個電路。況且，單純地提高濾波電容的容量對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表達式并整理得：
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為電容充電時達到的最大電壓。
三、濾波電路的計算機模擬與討論
在前面我們已經對濾波電路的工作過程進行了數學推導，而要將濾波電路的工作過程模擬下來，必須進行大量的計算，才能夠將電源輸出波形逐點描繪下來。通過對波形的觀察，選擇元件參數，使電路在正常工作的前提下，滿足用戶對電路在效率、功率、紋波、成本等多方面的要求。下面就程序的構思及應用做簡要說明。
圖1即為程序所模擬的電路，通過對程序的運行，我們將獲得電容C上的一組電壓、電流數據，通過大量小間隔時間t（0.00001秒）的代入即可得到電容C的電流及電壓波形。程序電壓值的計算由遞推法得出，電流值由電壓值計算得到。
程序運行的簡單流程圖如下：

圖3
1． 計算機程序優化元件選取舉例
選取負載電阻R=500Ω，由計算機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：當負載電阻不變時，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，電路接通后進入穩態的時間也隨之增長；同時，隨著濾波電容容量的增大，流經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，則必然會導致因沖擊電流過大，而損壞電流流經的元器件，否則，為保障整個電路的安全，我們不得不提高其他元器件的指標，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到最高性價比，必須選取一個能和負載電阻R匹配的電容值，這樣，既能使電路的輸出電壓達到要求，又不提高其他元器件的性能指標，使電路達到最佳的性價比。應用此程序可以準確快速地繪制出所示電路在任意給定的參數下的電流波形和輸出電壓波形，我們可以比較不同參數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值。