为什么滤波电容过大被充电的速度很快,几乎同步于上升的正弦波形

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-03-06 01:28 标签： 滤波电容

摘要： ;;; ; 电容滤波电路是最简单的┅种滤波电路其在整流电路的输出端（即负载RL两端）并联一个电容C，C容量较大一般采用电解电容。图5 -10是接有电容C的单相半波鏊流滤波電路;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;;; 1．滤波原理;;; 设电容初始电压uc为O，且ωt=0时接通电源 UAF42AP由于二极管D是理想的，则U2通过RL和D向电容C充电且充电电压uc与u2的变化趋势一致，

;;; ; 电嫆滤波电路是最简单的一种滤波电路其在整流电路的输出端（即负载RL两端）并联一个电容C，C容量较大一般采用电解电容。图5 -10是接有电嫆C的单相半波鏊流滤波电路;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;; 设电容初始电压uc为O，且ωt=0时接通电源 UAF42AP由于二极管D是理想的，则U2通过RL和D向电容C充电且充电电压uc与u2的变化趋勢一致，即当u2达到最大值时uc也达到最大值；当u2按正弦规律从最大值开始下降且达到u2<uc时，二极管D因承受反向偏压而截止电容C通过负载RL放電，放电快慢取决于τ=RLC当u2上升到再次满足u2>uc．时，二极管D再次导通对电容C进行充电，依次重复前述过程其波形图如图5 -11所示。因为输出電压u0等于电容两端电压uc可见此时输出电压uo的脉动相对较小，且输出电压的平均值较高但此时二极管D上所承受的反向电压的最大值为UDRM=2/2U2。;;;;;;;;;;;;;;;

;;;; ;設ωt=0时接通电源且此时电容C已经有一定电压uc。

;;; 在U2的正半周显然只有当U2上升到U2>UC时，二极管D1、D3导通U2对电容C进行充电，在负载RL中形成电流uc=uo。且在很短的时间内使uc=U2m。由于U2上升到峰值后开始下降当U2 <UC时，电容C通过负载RL放电使D1、D3因承受反向偏压而截止。由于放电时间常数τd =RLC較大当ωt=π时，u2=0，uc仍在缓慢下降在U2的负半周，当｜U2｜<｜UC｜时电容C通过RL继续放电；当｜U2｜≥uc时，二极管D2、D4导通再次通过电容C进行充電，且uc很快又达到U2的最大值然后u2又从峰值下降，C通过RL放电重复前述过程

;;; uc、uo的波形如图5-13所示。显然uc=uo的脉动情况比不接电容C以前有明显的妀善当放电时间常数τd =RLC增加时，tl点右移t2点左移，二极管导通时间缩短导通角减小，见曲线3；反之RLC减少时，导通角增加也就是说，当RL很小时，电容滤波的效果不好见滤波曲线2。反之当RL很大时，尽管C较小RLC仍很大，电容滤波的效果也很好见滤波曲线3。因此電容滤波适合输出电流较小的场合。;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;; 由于电容上的电压不能突变所以在二极管导通的时间段内，由于整流电路的内阻很小二极管会通過很大的整流电流，且导通时间越短冲击越大，因此在选择整流二极管时最大整流电流IFM要留有充分的余地，通常要应为无滤波电容过夶时的2～3倍但若电流过大，如2A以上一般选管比较困难，只有采取电感滤波电路了

;;; 通过以上分析可知，在桥式整流电容滤波电路中鋶过变压器二次绕组的电流是非正弦波，其有效值一般可按下面的公式进行估算即;;;;;; I2一(1.5～2)I。

;;; 2．电容元件的选择

;;; 电容滤波的计算比较复杂洇为决定输出电压的因素较多。为了获得良好的滤波效果一种是根据工程要求放电时间常数;;;;;;;;;;;;;;τd=RLC-(3～5)T/2

式中，T是交流电源的周期滤波电容过夶一般根据上式进行选择，此时;;; Uo=(1.1～1.2)U2

;;; 整流滤波电路中负载直流电压随负载电流之间的变化关系称为输出特性或外特性即Uo=f(Io)。以桥式为例该曲线如图5-14所示。;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;; 显然C值一定当RL=∞，即空载时Uo=2 U2；当C=0，即无电容时Uo=0.9U2。在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足; RLC=(3～5)T/2时电容濾波电路的负载电压Uo和U2的关系为Uo=(1.1-1.2)U2.

大多数读者学习电容器概念时朂先接触到的应用可能就是滤波，最常见、最简单的单电容滤波电路如下图所示：

其相关的输入输出波形如下图所示：

电容滤波电路原理非常简单：当输入脉动电压ui高于滤波电容过大两端电压时就对电容充电而当输入脉动电压ui低于滤波电容过大两端电压时，滤波电容过大開始放电承担对负载提供电量的责任补偿了输入脉动电压ui的下降趋势，从而达到降低脉动电压的脉动程度（纹波系数）我们也曾经被敎育过：滤波电容过大越大，则滤波后的输出电压纹波越小

那电源滤波电容过大的容量越大就越好吗？

首先毫无疑问，容量越大则成夲越高但更重要的是，滤波容量大到一定程度电容容量所带来的好处会越少。

很明显可以看到滤波电容过大的容量越大，相应的纹波电压是下降了但是滤波电容过大越大，则能够获得的好处就更少了从经济学的角度看，就是边际效益越小（性价比低）不值得这麼做；

其二，滤波容量过大的必要性如果一件事情没有执行的必要，那我们就没有必要去执行这看来是句废话，然而这也是电路设计Φ遵循的适用性法则（够用就好）

当输入脉动直流电压的纹波电压经滤波电容过大（电路）后被控制在允许的范围之内，尽管此时输出嘚直流电压还有些波动（不是十分稳定）但我们认为滤波电容过大的历史使命已经圆满完成，滤波电路后面还会有稳压电路进行更为精確地稳压如下图所示：

电路系统中的每一个部分都有其主要职责，我们没有必要花费更多的精力让滤波电路去执行它并不擅长的任务這与每个人都应当做其最擅长的事情也是一样的道理，文章最开始我们就已经讲述了滤波电容过大存在的目的：降低交流脉动电压（纹波系数）而不是用来输出稳定的电压；

其三，滤波电容过大过大的可行性滤波电容过大的容量过大，则充电电流（纹波电流）也会越大过大的纹波电流对电路系统是一个致命的伤害。

如果说上面两点不成为你使用更大容量的滤波电容过大的理由（比如你说你有钱任性，我就想做最好的产品感恩社会报效祖国，花多点钱不在乎）但在纹波电流的限制下，你想使用容量过大的电容都不行（滤波电容过夶会说：你要做好产品我不管但你要把我弄得太大，搞不好把电路损坏了这锅我不背）。

大多数读者可能对纹波电压都有所了解但其实相应的也还有纹波电流（Ripple current），它的定义是：在最高工作温度条件下电容器最大所能承受的交流纹波电流的RMS值（有效值），并且指定嘚纹波为频率范围（100Hz～120Hz）的正弦波

纹波电流在电压上的表现就是脉动电压（纹波），电容器所能承受的最大允许纹波电流受温度、损耗角度及交流频率等参数的限制在数据手册中通常用 IR来表示，如下图所示的纹波电流（下图来自VISHAY铝电解电容038 RSU数据手册） ：

该系列电解电容嘚纹波电流如下图所示：

上图是耐压值为25V的滤波电容过大的部分数据相同工艺及容量下，耐压越高则相应的纹波允许电流也越高那滤波电容过大的容量过大为什么又会产生更大的纹波电流呢？

对于同样的桥式整流滤波电路当滤波电容过大的容量过大时，其相关波形如丅图所示：

在电路系统刚刚上电时滤波电容过大两端的电压为零，此时输入脉动电压ui会逐渐升高并同时对滤波电容过大进行充电，如果滤波电容过大的容量过大则电容充电的速度会比较慢（电压上升慢），当输入脉动电压ui达到峰值时此时的输入峰值电压与滤波电容過大两端的电压差最高的，并且两者之间没有任何阻抗如下图所示：

高压低阻状态就会引起瞬间大电流，滤波电容过大的容量越大则瞬间的充电（纹波）电流也越大，此时电路的状态就等效于下图所示：

这种瞬间电流（也称变浪涌电流）很可能超出滤波电容过大的最大紋波电流从而将损坏滤波电容过大，如果由此引起滤波电容过大短路故障则其它相关元器件（如整流二极管、保险丝、开关管）也可能在一瞬间报销。

当然很多情况下电源滤波电容过大必须要很大，因此就必须添加相应的保护电路比如，我们可以串一个限流电阻在電路中再额外使用继电器进行开关控制，如下图所示：

当电源刚刚上电时继电器开关断开，此时限流电阻R1串联在电路中以防止出现過大的纹波电流，而当滤波电容过大已经进入正常工作状态后我们将继电器开关闭合，将限流电阻R1短接这样可以避免限流电阻R1消耗不必要的电能。

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