高效掌握！常见滤波电路实战分析

整流器电路的电压输出是单向脉冲电压，不能直接用于电子电路。因此，有必要对输出电压进行滤波，消除电压中的交流分量，并将其转换为直流电，用于电子电路。滤波器电路主要使用具有交流特殊阻抗特性的器件，如电容器和电感器。本文分析了不同形式的滤波电路。
 

 

滤波电路主要有下列几种：电容滤波电路，这是最基本的滤波电路；电感滤波电路；π型RC滤波电路；π型LC滤波电路。下面分别介绍这几种滤波的工作原理。

滤波原理

单向脉动性直流电压的特点

下图（左）所示是一种单向脉动直流波形。从图中可以看出，电压的方向始终是一致的，但电压的幅度是变化的。也就是说，在时间线上，电压显示出周期性变化，因此它会脉冲。但根据波形分解原理，该电压可以分解为直流电压和一系列不同频率的交流电压，如图（右）所示，其中虚线表示单向脉动直流电压U0中的直流分量，而U0的交流分量用实线表示。

单向脉动性电压分解

 

电容滤波原理

根据上述分析，由于直流电压的单向脉动，它可以分为两部分：交流电和直流电。在电源电路滤波电路中，可以通过使用电容器的“隔直通交”和储能特性，或使用电感器的“隔交通直”来滤除电压中的交流分量。

 

下图显示了电容滤波的原理。图（a）显示了整流器电路的输出电路。交流电压经电路整流后，输出为单向脉动直流电，在电路中为U0。图（b）显示了电容器滤波电路。由于电容器C1对应于直流的开路，整流器电路输出的直流电压不能通过C1接地，只能施加到负载RL，如RL图所示。对于通过整流器电路输出的交流分量，因C1容量较大，容抗小，交流分量通过C1流到地端，而不能加到负载RL。这样，通过对电容器C1进行滤波，从单向脉冲直流电流中提取所需的直流电压+U。滤波电容器C1的容量越大，其对交流分量的容抗越小，导致负载RL上的交流成分越小，滤波效果也就越好。

电容滤波原理

 

电感滤波原理

如下图显示了电感滤波的原理。由于电感器L1对直流电相当于通路，因此从整流器电路输出的DC电压被直接施加到负载RL。对于整流电路输出中的交流成分，由于L1具有较大的电感值，它会对这些交流信号产生较高的感抗，阻止交流电通过C1流向负载RL。这样，通过电感L1进行滤波，从单向脉冲直流电流中提取所需的直流电压+U。一般来说，滤波电感器L1的电感越大，交流分量的感抗就越大，导致负载RL上的交流分量越小，滤波效果越好，但直流电阻也会增大。

电感滤波原理

 

π型RC滤波电路

π型滤波是一种二阶滤波器，可以去除不需要的谐波，在直流电源中是减小电流的脉动，使电流更加平滑。RC滤波器电路由两个滤波电容器和一个滤波电阻器组成。第一级电容器和前一级的输出阻抗形成第一级滤波，可以暂时滤除交流分量。由于电容器对交流纹波仍有阻抗，且前一级的阻抗相对较小，因此在第一级滤波后通常仍有一定的残留交流分量。经过由R和次级电容器组成的次级滤波后，可以再次减少纹波。

 

下图为一个简单的π型RC滤波电路。电路中的C1、C2和C3是三个滤波电容，R1和R2是滤波电阻，C1、R1和C2构成第一节π型的RC滤波电路，C2、R2和C3构成第二节π型RC滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同希腊字母π和采用了电阻器、电容器，所以称为π型RC滤波电路。

π型RC滤波电路

 

π型LC滤波电路

π型LC滤波电路与π型RC滤波电路基本相同。该电路使用滤波电感替代滤波电阻，原因是滤波电阻对直流和交流电流的阻抗相同，而滤波电感则对交流电流具有较高的感抗，但对直流电流的阻抗相对较小。这种方法能够在不降低直流输出电压的前提下，显著提升滤波效果。

 

在下图的电路中，通过整流电路输出的单向脉冲直流电压首先通过电容器C1进行滤波，去除大部分交流分量，然后添加到L1和C2滤波电路中。对于交流分量而言，L1对它有较大的感抗，导致L1的交流电压降较大，负载的交流分量较小。对于直流电，由于L1不呈现感抗，相当于通路，同时，滤波器电感使用较粗的线径和较小的直流电阻器，这基本上不会导致直流电压的电压降。因此，直流输出电压相对较高，这是使用电感滤波器的主要优点。

π型LC滤波电路