電源濾波器，又名“電源EMI濾波器”，或是“EMI電源濾波器”，是一種無源雙向網(wǎng)絡(luò)，是一種對(duì)電源中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電氣設(shè)備。一般是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是濾波器的一種，按照工作原理稱之為反射式濾波器。它可以在濾波器阻帶內(nèi)提供了高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗，使它和噪聲源的阻抗和負(fù)載阻抗嚴(yán)重不匹配，從而把不希望的頻率分量發(fā)射回噪聲源。下面介紹其的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)圖吧：
1.AC輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)
防雷電路：當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí)，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3會(huì)燒毀保護(hù)后級(jí)電路。電路設(shè)計(jì)原理如圖1所示：
圖1 AC輸入整流濾波電路原理圖
輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間，要對(duì)C5充電，由于瞬間電流大，加RT1(熱敏電阻)就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在RT1電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減小(RT1是負(fù)溫系數(shù)元件)，這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。
整流濾波電路：交流電壓經(jīng)BRG1整流后，經(jīng)C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。
2.DC輸入濾波電路設(shè)計(jì)
圖2 DC輸入濾波電路原理圖
如圖2所示，輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。C3、C4為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機(jī)的瞬間，由于C6的存在Q2不導(dǎo)通，電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當(dāng)C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時(shí)Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級(jí)電路短路現(xiàn)象，在起機(jī)的瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大，Q1導(dǎo)通使Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1將會(huì)在很短的時(shí)間燒毀，以保護(hù)后級(jí)電路。
3.電子濾波器設(shè)計(jì)
圖3所示是電子濾波器。電路中的VT1是三極管，起到濾波管作用，C1是VT1的基極濾波電容，R1是VT1的基極偏置電阻，RL是這一濾波電路的負(fù)載，C2是輸出電壓的濾波電容。
圖3 電子濾波器原理圖
電子濾波電路工作原理如下：
①電路中的VT1、R1、C1組成電子濾波器電路，這一電路相當(dāng)于一只容量為C1×β1大小電容器，β1為VT1的電流放大倍數(shù)，而晶體管的電流放大倍數(shù)比較大，所以等效電容量很大，可見電子濾波器的濾波性能是很好的。等效電路如圖6(b)所示。圖中C為等效電容。
②電路中的R1和C1構(gòu)成一節(jié)RC濾波電路，R1一方面為VT1提供基極偏置電流，同時(shí)也是濾波電阻。由于流過R1的電流是VT1的基極偏置電流，這一電流很小，R1的阻值可以取得比較大，這樣R1和C1的濾波效果就很好，使VT1基極上直流電壓中的交流成分很少。由于發(fā)射極電壓具有跟隨基極電壓的特性，這樣VT1發(fā)射極輸出電壓中交流成分也很少，達(dá)到濾波的目的。
③在電子濾波器中，濾波主要是靠R1和C1實(shí)現(xiàn)的，這也是RC濾波電路，但與前面介紹的RC濾波電路是不同的。在這一電路中流過負(fù)載的直流電流是VT1的發(fā)射極電流，流過濾波電阻R1的電流是VT1基極電流，基極電流很小，所以可以使濾波電阻R1的阻值設(shè)得很大(濾波效果好)，但不會(huì)使直流輸出電壓下降很多。
④電路中的R1的阻值大小決定了VT1的基極電流大小，從而決定了VT1集電極與發(fā)射極之間的管壓降，也就決定了VT1發(fā)射極輸出直流電壓大小，所以改變R1的大小，可以調(diào)整直流輸出電壓+V的大小。
4.電子穩(wěn)壓濾波器設(shè)計(jì)
圖4 電子穩(wěn)壓濾波器原理圖
圖4所示是另一種電子穩(wěn)壓濾波器，與前一種電路相比，在VT1基極與地端之間接入了穩(wěn)壓二極管VD1。電子穩(wěn)壓原理如下：
在VT1基極與地端之間接入了穩(wěn)壓二極管VD1后，輸入電壓經(jīng)R1使穩(wěn)壓二極管VD1處于反向偏置狀態(tài)，此時(shí)VD1的穩(wěn)壓特性使VT1管的基極電壓穩(wěn)定，這樣VT1發(fā)射極輸出的直流電壓也比較穩(wěn)定。注意：這一電壓的穩(wěn)定特性是由于VD1的穩(wěn)壓特性決定的，與電子濾波器電路本身沒有關(guān)系。
R1同時(shí)還是VD1的限流保護(hù)電阻。在加入穩(wěn)壓二極管VD1后，改變R1的大小不能改變VT1發(fā)射極輸出電壓大小，由于VT1的發(fā)射結(jié)存在PN結(jié)電壓降，所以發(fā)射極輸出電壓比VD1的穩(wěn)壓值略小。
C1、R1與VT1同樣組成電子濾波器電路，起到濾波作用。
在有些場(chǎng)合下，為了進(jìn)一步提高濾波效果，可采用雙管電子濾波器電路，2只電子濾波管構(gòu)成了復(fù)合管電路。這樣總的電流放大倍數(shù)為各管電流放大倍數(shù)之積，顯然可以提高濾波效果。
5.電容濾波設(shè)計(jì)
如圖5(a)所示。是單向脈動(dòng)性直流電壓波形，從圖中可以看出，電壓的方向性無論在何時(shí)都是一致的，但在電壓幅度上是波動(dòng)的，就是在時(shí)間軸上，電壓呈現(xiàn)出周期性的變化，所以是脈動(dòng)性的。但根據(jù)波形分解原理可知，這一電壓可以分解一個(gè)直流電壓和一組頻率不同的交流電壓，如圖5(b)所示。在圖1(b)中，虛線部分是單向脈動(dòng)性直流電壓U。中的直流成分，實(shí)線部分是UO中的交流成分。
圖5 單向脈動(dòng)性電壓的分解
電容濾波原理
根據(jù)以上的分析，由于單向脈動(dòng)性直流電壓可分解成交流和直流兩部分。在電源電路的濾波電路中，利用電容器的“隔直通交”的特性和儲(chǔ)能特性，或者利用電感“隔交通直”的特性可以濾除電壓中的交流成分。圖6所示是電容濾波原理圖。
圖6(a)為整流電路的輸出電路。交流電壓經(jīng)整流電路之后輸出的是單向脈動(dòng)性直流電，即電路中的UO。圖6(b)為電容濾波電路。由于電容C1對(duì)直流電相當(dāng)于開路，這樣整流電路輸出的直流電壓不能通過C1到地，只有加到負(fù)載RL圖為RL上。對(duì)于整流電路輸出的交流成分，因C1容量較大，容抗較小，交流成分通過C1流到地端，而不能加到負(fù)載RL。這樣，通過電容C1的濾波，從單向脈動(dòng)性直流電中取出了所需要的直流電壓+U。
濾波電容C1的容量越大，對(duì)交流成分的容抗越小，使殘留在負(fù)載RL上的交流成分越小，濾波效果就越好。
圖6 電容濾波原理圖
6.電感濾波設(shè)計(jì)
圖7所示是電感濾波原理圖。由于電感L1對(duì)直流電相當(dāng)于通路，這樣整流電路輸出的直流電壓直接加到負(fù)載RL上。
圖7 電感濾波原理圖
對(duì)于整流電路輸出的交流成分，因L1電感量較大，感抗較大，對(duì)交流成分產(chǎn)生很大的阻礙作用，阻止了交流電通過C1流到加到負(fù)載RL。這樣，通過電感L1的濾波，從單向脈動(dòng)性直流電中取出了所需要的直流電壓+U。濾波電感L1的電感量越大，對(duì)交流成分的感抗越大，使殘留在負(fù)載RL上的交流成分越小，濾波效果就越好，但直流電阻也會(huì)增大。
7.π型RC濾波電路設(shè)計(jì)
圖8所示是π型RC濾波電路。電路中的C1、C2和C3是3只濾波電容，R1和R2是濾波電阻，C1、R1和C2構(gòu)成第一節(jié)π型的RC濾波電路，C2、R2和C3構(gòu)成第二節(jié)π型RC濾波電路。由于這種濾波電路的形式如同希臘字母π和采用了電阻器、電容器，所以稱為π型RC濾波電路。
圖8 π型RC濾波電路原理圖
π型RC濾波電路原理如下：
(1)這一電路的濾波原理是：從整流電路輸出的電壓首先經(jīng)過C1的濾波，將大部分的交流成分濾除，然后再加到由R1和C2構(gòu)成的濾波電路中。C2的容抗與R1構(gòu)成一個(gè)分壓電路，因C2的容抗很小，所以對(duì)交流成分的分壓衰減量很大，達(dá)到濾波目的。對(duì)于直流電而言，由于C2具有隔直作用，所以R1和C2分壓電路對(duì)直流不存在分壓衰減的作用，這樣直流電壓通過R1輸出。
(2)在R1大小不變時(shí)，加大C2的容量可以提高濾波效果，在C2容量大小不變時(shí)，加大R1的阻值可以提高濾波效果。但是，濾波電阻R1的阻值不能太大，因?yàn)榱鬟^負(fù)載的直流電流要流過R1，在R1上會(huì)產(chǎn)生直流壓降，使直流輸出電壓Uo2減小。R1的阻值越大，或流過負(fù)載的電流越大時(shí)，在R1上的壓降越大，使直流輸出電壓越低。
(3)C1是第一節(jié)濾波電容，加大容量可以提高濾波效果。但是C1太大后，在開機(jī)時(shí)對(duì)C1的充電時(shí)間很長(zhǎng)，這一充電電流是流過整流二極管的，當(dāng)充電電流太大、時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，會(huì)損壞整流二極管。所以采用這種π型RC濾波電路可以使C1容量較小，通過合理設(shè)計(jì)R1和C2的值來進(jìn)一步提高濾波效果。
(4)這一濾波電路中共有3個(gè)直流電壓輸出端，分別輸出Uo1、Uo2和Uo3三組直流電壓。其中，Uo1只經(jīng)過電容C1濾波;Uo2則經(jīng)過了C1、R1和C2電路的濾波，所以濾波效果更好，Uo2中的交流成分更小;Uo3則經(jīng)過了2節(jié)濾波電路的濾波，濾波效果最好，所以Uo3中的交流成分最少。
(5)3個(gè)直流輸出電壓的大小是不同的。Uo1電壓最高，一般這一電壓直接加到功率放大器電路，或加到需要直流工作電壓最高、工作電流最大的電路中;Uo2電壓稍低，這是因?yàn)殡娮鑂1對(duì)直流電壓存在電壓降;Uo3電壓最低，這一電壓一般供給前級(jí)電路作為直流工作電壓，因?yàn)榍凹?jí)電路的直流工作電壓比較低，且要求直流工作電壓中的交流成分少。
8.π型LC濾波電路設(shè)計(jì)
圖9所示是π型LC濾波電路。π型LC濾波電路與π型RC濾波電路基本相同。這一電路只是將濾波電阻換成濾波電感，因?yàn)闉V波電阻對(duì)直流電和交流電存在相同的電阻，而濾波電感對(duì)交流電感抗大，對(duì)直流電的電阻小，這樣既能提高濾波效果，又不會(huì)降低直流輸出電壓。
圖9 π型LC濾波電路原理圖
在圖9的電路中，整流電路輸出的單向脈動(dòng)性直流電壓先經(jīng)電容C1濾波，去掉大部分交流成分，然后再加到L1和C2濾波電路中。對(duì)于交流成分而言，L1對(duì)它的感抗很大，這樣在L1上的交流電壓降大，加到負(fù)載上的交流成分小。
對(duì)直流電而言，由于L1不呈現(xiàn)感抗，相當(dāng)于通路，同時(shí)濾波電感采用的線徑較粗，直流電阻很小，這樣對(duì)直流電壓基本上沒有電壓降，所以直流輸出電壓比較高，這是采用電感濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)。
以上就是電源濾波器電路設(shè)計(jì)圖介紹。當(dāng)選用電源濾波器時(shí)，主要考慮三個(gè)方面的指標(biāo)：首先是電壓、電流，其次是插入損耗，最后是結(jié)構(gòu)尺寸。由于濾波器內(nèi)部一般是經(jīng)過灌封處理的，因此環(huán)境特性不是主要問題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對(duì)電源濾波器的環(huán)境特性有一定的影響。
9.電源濾波電路分析要點(diǎn)
(1)進(jìn)行電源濾波器電路分析時(shí)，要知道電子濾波管基極上的電容是濾波的關(guān)鍵元件。另外，要進(jìn)行直流電路的分析，電子濾波管有基極電流和集電極、發(fā)射極電流，流過負(fù)載的電流是電子濾波管的發(fā)射極電流，改變基極電流大小可以調(diào)節(jié)電子濾波管集電極與發(fā)射極之間的管壓降，從而改變電源濾波器輸出的直流電壓大小。
(2)分析濾波電容工作原理時(shí)，主要利用電容器的“隔直通交”特性，或是充電與放電特性，即整流電路輸出單向脈動(dòng)性直流電壓時(shí)對(duì)濾波電容充電，當(dāng)沒有單向脈動(dòng)性直流電壓輸出時(shí)，濾波電容對(duì)負(fù)載放電。
(3)分析濾波電感工作原理時(shí)，主要是認(rèn)識(shí)電感器對(duì)直流電的電阻很小、無感抗作用，而對(duì)交流電存在感抗。
(4)電源濾波器本身沒有穩(wěn)壓功能，但加入穩(wěn)壓二極管之后可以使輸出的直流電壓比較穩(wěn)定。
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