无源滤波器的原理，和无源滤波器威廉希尔官方网站 设计详细解析

　　LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所以称为无源滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要；

　　无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波威廉希尔官方网站 ，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。

　　LC滤波器的适用场合

　　无源LC威廉希尔官方网站 不易集成，通常电源中整流后的滤波威廉希尔官方网站 均采用无源威廉希尔官方网站 ，且在大电流负载时应采用LC威廉希尔官方网站 。

　　有源滤波器适用场合

　　有源滤波器威廉希尔官方网站 不适于高压大电流的负载，只适用于信号处理，滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。

　　经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的威廉希尔官方网站 ，叫做经典滤波器或滤波威廉希尔官方网站 。

　　电容滤波威廉希尔官方网站 /电感滤波威廉希尔官方网站 作用原理

　　整流威廉希尔官方网站 的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流威廉希尔官方网站 的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波威廉希尔官方网站 来滤除整流威廉希尔官方网站 输出电压中的脉动成分以获得直流电压。

　　常用的滤波威廉希尔官方网站 有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波（包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等）。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。

　　脉动系数（S）=输出电压交流分量的基波最大值／输出电压的直流分量

　　半波整流输出电压的脉动系数为S=1．57，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O．67。对于全波和桥式整流威廉希尔官方网站 采用C型滤波威廉希尔官方网站 后，其脉动系数S=1／（4（RLC／T-1）。（T为整流输出的直流脉动电压的周期。）

　　电阻滤波威廉希尔官方网站

　　RC-π型滤波威廉希尔官方网站 ，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波威廉希尔官方网站 组成的。如图1（B）RC滤波威廉希尔官方网站 。若用S表示C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数S=（1/ωC2R）S。

　　由分析可知，电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端，最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情况下，R愈大，C2愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大C2的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。这种威廉希尔官方网站 一般用于负载电流比较小的场合。

　　电感滤波威廉希尔官方网站

　　根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波威廉希尔官方网站 的基本形式如图1所示。因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。

　　（A）电容滤波

　　（B）C-R-C或RC-π型电阻滤波脉动系数S=（1/ωC2R‘）S’

　　（C）L-C电感滤波

　　（D）π型滤波或叫C-L-C滤波

　　图1无源滤波威廉希尔官方网站 的基本形式

　　并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波威廉希尔官方网站 向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。

　　利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，在整流威廉希尔官方网站 的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。电感滤波缺点是体积大，成本高。

　　桥式整流电感滤波威廉希尔官方网站 如图2所示。电感滤波的波形图如图2所示。根据电感的特点，当输出电流发生变化时，L中将感应出一个反电势，使整流管的导电角增大，其方向将阻止电流发生变化。

　　图2电感滤波威廉希尔官方网站

　　在桥式整流威廉希尔官方网站 中，当u2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后u2不到90°。当u2超过90°后开始下降，电感上的反电势有助于D1、D3继续导电。当u2处于负半周时，D2、D4导电，变压器副边电压全部加到D1、D3两端，致使D1、D3反偏而截止，此时，电感中的电流将经由D2、D4提供。由于桥式威廉希尔官方网站 的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角θ都是180°，这一点与电容滤波威廉希尔官方网站 不同。

　　图3电感滤波威廉希尔官方网站 波形图

　　已知桥式整流威廉希尔官方网站 二极管的导通角是180°，整流输出电压是半个半个正弦波，其平均值约为。电感滤波威廉希尔官方网站 ，二极管的导通角也是180°，当忽略电感器L的电阻时，负载上输出的电压平均值也是。如果考虑滤波电感的直流电阻R，则电感滤波威廉希尔官方网站 输出的电压平均值为

　　要注意电感滤波威廉希尔官方网站 的电流必须要足够大，即RL不能太大，应满足wL》》RL，此时IO（AV）可用下式计算

　　由于电感的直流电阻小，交流阻抗很大，因此直流分量经过电感后的损失很小，但是对于交流分量，在wL和上分压后，很大一部分交流分量降落在电感上，因而降低了输出电压中的脉动成分。电感L愈大，RL愈小，则滤波效果愈好，所以电感滤波适用于负载电流比较大且变化比较大的场合。采用电感滤波以后，延长了整流管的导电角，从而避免了过大的冲击电流。

　　电容滤波原理详解

　　1．空载时的情况

　　当威廉希尔官方网站 采用电容滤波，输出端空载，如图4（a）所示，设初始时电容电压uC为零。接入电源后，当u2在正半周时，通过D1、D3向电容器C充电；当在u2的负半周时，通过D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为

　　（a）威廉希尔官方网站 图（b）波形图

　　图4空载时桥式整流电容滤波威廉希尔官方网站

　　式中包括变压器副边绕组的直流电阻和二极管的正向导通电阻。由于一般很小，电容器很快就充到交流电压u2的最大值，如波形图2（b）的时刻。此后，u2开始下降，由于威廉希尔官方网站 输出端没接负载，电容器没有放电回路，所以电容电压值uC不变，此时，uC＞u2，二极管两端承受反向电压，处于截止状态，威廉希尔官方网站 的输出电压，威廉希尔官方网站 输出维持一个恒定值。实际上威廉希尔官方网站 总要带一定的负载，有负载的情况如下。

　　2．带载时的情况

　　图5给出了电容滤波威廉希尔官方网站 在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流，输出电压的波形是正弦形。在时刻，即达到u290°峰值时，u2开始以正弦规律下降，此时二极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。

　　先设达到90°后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90°后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，uC的下降速率越来越慢。所以在超过90°后的某一点，例如图5（b）中的t2时刻，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，u2再次超过uC，如图5（b）中的t3时刻，二极管重又导电。

　　以上过程电容器的放电时间常数为

　　电容滤波一般负载电流较小，可以满足td较大的条件，所以输出电压波形的放电段比较平缓，纹波较小，输出脉动系数S小，输出平均电压UO（AV）大，具有较好的滤波特性。

　　（a）威廉希尔官方网站 图（b）波形图

　　图5带载时桥式整流滤波威廉希尔官方网站

　　以上滤波威廉希尔官方网站 都有一个共性，那就是需要很大的电容容量才能满足要求，这样一来大容量电容在加电瞬间很有很大的短路电流，这个电流对整流二极管，变压器冲击很大，所以现在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC热敏电阻来维持平衡，因NTC热敏电阻在常温下电阻很大，加电后随着温度升高，电阻阻值迅速减小，这个威廉希尔官方网站 叫软起动威廉希尔官方网站 。这种威廉希尔官方网站 缺点是：断电后，在热时间常数内，NTC热敏电阻没有恢复到零功率电阻值，所以不宜频繁的开启。

　　为什么整流后加上滤波电容在不带负载时电压为何升高？这是因为加上滤波测得的电压是含有脉动成分的峰值电压，加上负载后就是平均值，计算：峰值电压=1.414×理论输出电压有源滤波-电子威廉希尔官方网站 滤波。电阻滤波本身有很多矛盾，电感滤波成本又高，故一般线路常采用有源滤波威廉希尔官方网站 ，威廉希尔官方网站 如图6。它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波威廉希尔官方网站 与有源器件晶体管T组成的射极输出器连接而成的威廉希尔官方网站 。由图6可知，流过R的电流IR=IE／（1+β）=IRL／（1+β）。流过电阻R的电流仅为负载电流的1/（1+β）．所以可以采用较大的R，与C2配合以获得较好的滤波效果，以使C2两端的电压的脉动成分减小，输出电压和C2两端的电压基本相等，因此输出电压的脉动成分也得到了削减。

　　从RL负载电阻两端看，基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路，相当于R减小了（1+β）倍，而C2增大了（1+β）倍。这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1／β，比如晶体管的直流放大系数β=50，如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为1000μF，如采用电子滤波器，那么电容只需要20μF就满足要求了。采用此威廉希尔官方网站 可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果，因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。