整流滤波电容的设计与选用方法研究

摘要：整流滤波电路是直流稳压电源设备中常用电路，其中滤波电容的设计选取，直接影响到纹波电压的大小，关系到输出直流电压的质量。本文通过在设定条件下，依据整流滤波电路原理，阐述了纹渡电压产生的过程，给出了一种滤波电容设计与选取计算方法，建立了电容选取的计算模型，描绘出了纹波电压、负载电阻与滤波电容之间关系曲线，并通过实验验证其科学性，有利于滤波电容的设计与选用。
关键词：整流电路；滤波电路；滤波电容；纹波电压

整流滤波电路是直流稳压电源设备原理电路的重要组成部分，具有把交流电压转换成直流电压的功能作用。在整流滤波电路中有两部分电路组成，如图1所示：一是整流电路，其作用是把正弦波交流电压(如市电220 V／50 Hz)转变成单向的脉动电压；二是滤波电路，是将单向脉动电压通过滤波形成直流电压。整流滤波电路输出的直流电压，是直流稳压电源设备实现稳压输出的前提。如果整流滤波电路输出的直流电压不能满足稳压电路输出的要求，将导致直流稳压电源设备不能稳压输出。所以，滤波电路的设计，特别是滤波电容的设计与选用显得更加重要。
整流滤波用的电解电容的选取似乎早有定论。即应根据允许的纹波电压来选取容值；对于有维持时间要求的系统，单相整流时一般取1～2μF／W。对于滤波电容C的选取，使用经验公式RC≥(3：5)T／2，并认为滤波电容C越大越好。实验证明这些说法，对于直流稳压电源设备中整流滤波电容的设计与选取是不科学的。因为，滤波电容的容量大小直接影响整流滤波电路输出的纹波电压，应根据对纹波电压的要求及
其直流稳压电源设备输出直流电压指标进行具体的设计与选取。
在图1的滤波电路中，滤波电容C，具有隔直流、通交流的作用，即滤波作用。把整流后的电压中多次谐波滤除，输出“纯净”的直流电压。因此，电容C的设计选择，直接关系到滤波电路输出直流电压的质量。文中结合稳压电路的要求，针对整流滤波电路，就滤波电容C的设计与选取展开了分析与研究。

1 滤波电容的设计
整流滤波电路的原理如图1所示，主要有D1～D4二极管、滤波电容C和负载电阻RFZ组成。如果负载电阻RFZ等效为电源设备的稳压电路，就对滤波电路提出指标要求。在整流电路输出电压、功率保证的情况下，主要是对纹波电压的要求。纹波电压是指滤波电路、稳压电路输出直流电压含有的波动电压，如图2所示。如果滤波电路输出的纹波电压过大，将导致稳压电路输出纹波电压增大，甚至难以稳压。纹波电压是由整流输出的单相脉动电压对滤波电容C的充电、放电过程产生的；在负载RFZ不变的条件下，电容C的大小决定着纹波电压的高低。可见，电容C的设计，应依据纹波电压的要求来设计。

1．1 滤波电容充电、放电过程
针对图1滤波电路，用示波器测试的波形图分析C的充电、放电过程更为直观。当K断开时，全波整流电路输出的电压波形，即为滤波电路的输入电压ui，如图2所示，是把输入的正弦波电压Ui(有效值)图2的①转变成频率为100 Hz的单向脉动电压，如图2的②。当K接通时，滤波电路输出的直流电压为U0，并叠加有纹波电压△U，如图2的③。如果图2中的②和③重叠后，在示波器上就会出现图2中的④波形图。从图2的④中就可分析出电容C的充电与放电过程。
图2的④，为图1电路处于稳态时输出的Uc电压波形，△U是纹波电压．其幅度决定于C和负载RFZ的大小。如图2所示，当处在0～t1，U0= Uc>ui，C处于放电过程，D1～D4均处于截止状态；在t1～t2，ui≥U0=Uc，C处于充电过程，D2、D3处于导通状态，D1、D4处于截止状态；在t2～t3，ui≤U0=Uc，C随ui规律放电，仍存在D2、D3处于导通状态，D1、D4处于截止状态；在t3～t4，uiU0=Uc，C处于放电过程，D1～D4处于截止状态。从t4后开始，其过程同t1～t4。可以看出从t1～t3期间，是电容C充电过程，纹波电压的变化规律和ui(ui=U0=Uc)相同；在t3～t4期间，Uc按指数规律下降，时间常数为τ=RFZC。
1．2 滤波电容的计算方法与模型
从电容C充放电过程可以看出，在t1～t2期间，是电容C充电过程，纹波电压△U的变化规律和ui基本相同。在t3～t4期间，纯粹是电容C放电过程。其计算模型为：

结合图1整流滤波电路，依据图2的④滤波电容充电、放电原理，运用(1)计算模型，对C的进行计算，其计算方法如下：
如图2的④波形，在t1～t2过程中，△U的变化规律和ui基本相同，符合正弦变化规律，其电容C充电两端的电压为：

因为Ui经全波整流后，变成了单相脉冲，频率为100 Hz，周期为T／2=0．01s(T=1／50)；如图2的④波形，纹波电压△U在t1～t4为一个波形周期，所以t1与t4时刻的Uc值相同。
从波形中分析出，在t2～t3期间内，对C的充电、放电过程同时进行，由于t3-t2小小于t4-t2，所以，可近似为t2～t4为放电过程，有模型(1)得到(5)：

1．3 滤波电容的仿真计算
设：Ui=15 V，f=50 Hz，ω=2πf。
运用Matlab运算工具，对关系式(7)和(8)进行运算，得到图3曲线。

当纹波电压△U一定时，即选定△U分别为Uc10％、Uc20％、Uc30％时，在分别取RFZ为不同值，得到一系列滤波电容C值，如图3①所示。
当滤波电容C一定时，即选定C分别为3 500μF、3 000μF、2 500μF，在分别取不同的，即不同的纹波电压参数，得到一系列负载RFZ的值，如图3②所示。
当负载功率一定时，即分别取RFZ为20 Ω、15 Ω、10 Ω，分别取不同的△U，即不同的纹波电压参数，同样得到一系列滤波电容C值，如图3③所示。
通过图3可以看出，在RFZ、C与△U之间，如果知道2个参数就可以查到第3个参数值。比如：△U为Uc的20％、RFZ为15 Ω时，从图3①中就可以查到C为2 300μF；如果RFZ为20 Ω、C为3 500μF时。从图3②中就可以查到△U为1．8 V；如果要求△U为1．5 V、选C为4 700 μF时，则Rvz在20 Ω左右。

2 滤波电容设计计算的实验验证
结合图1所示电路原理，按照图3查出的相关参数进行实验验证，以证明所建立模型的正确性。实验验证数据如表1所示。

可见，在选定的参数情况下，通过图3查找曲线相应参数值，进行电路实验验证，所得出的数据与之相符，说明所建立的模型(8)与运算所绘出的滤波电容C、负载RFZ、△U三者关系曲线具有科学性性，能够进行整流滤波电路中C的设计与选取。

3 结束语
在电源设备的整流滤波电路中，滤波电容C的选取，一般依据输出直流电压、负载RFZ大小及对纹波电压△U的要求进行设计的。本文依据整流滤波电路原理和滤波电容的作用，分析了纹波电压产生的过程，说明了纹波电压△U与RFZ、C的关系，建立了Uc与RFZ、C和的模型，给出了相应关系曲线图；在输入电压Ui一定的条件下，可以查出与RFZ、C的值，并通过仿真计算和实验验证，证明了上述建立的模型、仿真关系曲线的科学性，有利于在滤波电容C设计与选取。