RC滤波电路

RC滤波电路 电 源 138(怎样利用整流方式得到平稳的直流电? 答:整流是利用二极管的单向导电性，把正负交变的交流电变为单向的脉动直流电，再经过滤波电路使波形变得平滑，然后再经过稳压电路的作用，最后得到波形平直、电压稳定的直流电。 由交流电得到平稳的直流电需经以下四个环节(见图1-55): (1)电源(整流)变压器将电网的交流电压的大小变换成符合整流电路的工作电压。 (2)整流二极管将交流电变换成单向脉动直流电。 (3)滤波装置将脉动的直流电变换成平直的直流电。 (4)稳压电路将波动的直流电压变为稳定的直流电压，使直流输出电压保持稳定。 139(单相半波整流电路是怎样工作的? 答:单相半波整流电路如图l-56所示。图中，TR是整流变压器，υ2是变压器的二次电压，在时间0,π时，υ2的A端为正，B端为负，这时VD承受正向电压而导通，电流从TR的二次侧上端流出，经二极管VD流过负载R1回到TR二次侧的下端，负载RL上有电压。当时间为X,2π时，υ2的A端为负，B端为正，VD上加反向电压，这时VD不导通，所以在RL上没有电压。当时间为2π,3π时，VD又导通，RL上又有电压……，从上述现象我们可以看出，电源电压虽然是忽正忽负，但是由于二极管的单向导电性，使RL上得到了单方向的脉动电压，这就将交流电变为直流电了。这种电路只是在电源电压υ2的正半周时才有电流流过，故称为单相半波整流电路。 140(单相全波整流电路是怎样工作的? 答:单相全波整流电路如图1-57所示。它是由两个半波整流电路组合而成的。 在变压器TR的二次侧具有中心抽头，引出大小相等的两个电压υ2A、υ2B，在时间0,π内，υ2A上端为正，下端为负，υ2A经过VD1、RL、变压器TR的中心抽头构成回路，VD2因加反向电压作用而截止。在时间π,2π内，υ2B下端为正，上端为负，υ2B经VD2、RL、变压器中心抽头构成回路，VD1因加反向电压而截止。所以在交变电压的整个周期内，由两个整流器件构成的两个单相半波整流电路轮流导通，从而使负载RI，上得到了单一方向的全波脉动电压。 141(单相桥式整流电路是怎样工作的? 答:单相桥式整流电路如图1-58所示，四个二极管作为整流器件接成电桥形式，当变压器TR的极性上端为正下端为负时，VS1、VD3因正向偏置而导通，VD2、VD4因反向偏置而截止，在负载RL上有电流通过，电流由变压器二次绕组上端经VD1、RL、VD3回到变压器下端，在RL上得到一个半波整流电压，当电源极性相反时，整流器件VD2、VD4导通，VDl、VD3截止，电流经VD2、R1、VD4回到TR的上端，这样在RL上也得到一个半波整流电压。如此重复，在负载RL，上就能得到一个和单相全波整流时一样的电压波形。 尽管单相全波整流和单相桥式整流电路在负载上得到的电压波形一样，但是，单相全波整流电路需要带中心抽头的变压器，而单相桥式整流电路需要四个整流二极管。 142(单相半波、全波、桥式整流电路各有什么特点? 答:单相半波整流电路的特点如下: (1) 电路简单，使用器件少。 (2)无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=0.45V2 (3)整流电压的脉动较大。 (4)变压器的利用率低。 单相全波整流电路的特点如下: (1)使用的整流器件较半波整流时多一倍。 整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压(2) Vo=0.9V2。 (3)变压器的利用率比半波整流时高。 (4)变压器二次绕组需中心抽头。 (5)整流器件所承受的反向电压较高。 单相桥式整流电路的特点如下: (1)使用的整流器件较全波整流时多一倍。 (2)整流电压脉动与全波整流相同。 (3)每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，即 。 (4)变压器利用率较全波整流电路高。 143(怎样选择整流器件? 答:上面介绍了常用的三种小功率整流电路的原理和特点。实用中，可根据负载的要求和整流器件的参数，合理地选用电路形式。在选择整流二极管时，一般应遵守下列两个原则: (1)二极管的最大整流电流IOM应大于或等于二极管中实际流过的平均电流IFo (2)二极管的最高反向工作电压应大于加在二极管两端的实际反向峰值电压VRM。 在选择时，可由给定的负载电压VL和电流IL按照不同的整流电路，计算出流过二极管的平均电流IF及加于管于的最大反向电压VR，按上述两个原则，查阅晶体管选用整流器件。 设有一负载电阻需要直流电压VL=50V，电流IL=4A，试选择整流二极管。 选择方法如下: (1)采用半波整流时，由于VL=0.45V2，变压器的二次电压为 V2=VL,0.45=50V,0.45=112V 二极管承受的最大反向电压为 VR=1.41V2=1.4l×112V=158V 流过二极管的整流电流平均值为 IE=IL=4A 从晶体管手册查得2CZ13C整流二极管的最大整流电流为5A，最高反向工作电压为200V，故可选用一只2CZl3C整流二极管。 (2)采用全波整流时，由于VL=0.9V2，变压器每一个二次电压为 V2=VL,0.9=50V,0.9=56V 二极管承受的最大反向电压为 VR=2×1.41V2=158V 流过二极管的整流电流平均值为 IE=IL,2=2A 从晶体管手册查得2czl2C整流二极管的最大整流电流为3A，最高反向工作电压为200V，故选用两只2CZ12C整流二极管。 (3)采用桥式整流时，变压器二次电压为 V2=56V 二极管承受的最大反向电压为 、V2=79V VR=1.41 流过二极管的整流电流平均值为 IF=IL,2=2A 从晶体管手册查得2CZ12B整流二极管的最大整流电流为3A，最高反向工作电压为l00V，故选用四只2CZ12B整流二极管。 144(为什么大功率整流器件必须采取规定的散热措施? 答:在大功率整流电路中，流过整流器件的电流比较大，硅整流二极管都有1V左右的正向压降。正向压降和流过二极管的平均电流乘积称为耗散功率，这一部分功率以热的形式从器件内部向外散发，电流越大产生的热量越多，整流器件热容量较小，耐热能力较差。在工作过程中若不将发出的热量通过适当途径向周围空间迅速散发，则器件的结温会很快上升，导致反向漏电流增加，耐压特性下降，严重时会烧毁二极管。所以必须加装符合规定的散热器，有的还必须采取强制风冷或水冷措施。 145(在桥式整流电路中，若有一只二极管损坏。将会出现什么现象? 答:二极管损坏后，一般呈现开路或短路的两种状态。在图1-59所示桥式整流电路中，假设一只二极管短路，电路如图1-59a所示。当交流输入电压为正半周时，电流将按箭头方向流动，变压器二次绕组通过VD3短路。此时，不仅负载电阻RL中没有电流流过，而且二极管VD3和变压器均有烧毁的可能。 如果一只二极管开路，电路如图1-59b所示。当交流输入电压为正半周时，电流将按箭头方向流动。当交流输入电压为负半周时，负载电阻RL中没有电流流过，这时电路就等效为一个半波整流电路，因此它的直流输出电压要下降。 另外，考虑到桥式整流电路中每一个二极管的平均电流是负载电流的一半，而半波整流时二极管通过的电流等于负载的电流。因此，桥式整流电路中二极管允许的最大整流电流小于负载电流时，VD1、VD2均有烧毁的可能。 146(滤波电路有何作用? 答:由上述三种整流电路将交流电转变为直流电时，其输出的电流是含有直流成分和交流成分的脉动直流电。这种脉动直流电一般可用于某些电镀、电解和蓄电池充电等设备。而电子设备和自动控制装置，往往需要平滑的直流电，因此必须将脉动直流电中的交流成分滤去。滤波电路能把脉动直流电中的交流成分滤走，而保留其直流成分，在负载两端得到较为平滑的直流电。 电感对恒定直流的阻抗极小，而对交流却呈现出较大的阻抗，电容对恒定直流相当于开路，而交流却很容易通过。利用电感和电容的这种特性，把它们适当地组合起来，能有效地实现滤波。 147(常用滤波器有哪几种形式? 答:主要有电容滤波、电感滤波和复式滤波等形式 (1)电容滤波是用一个大容量的电容(电解电容)与负载并联组成电容滤波。 1)半波整流电容滤波图1-61所示为半波整流电容滤波电路。未加滤波电容时，负载得到的是半波脉动电压。当负载并接电容C后，二极管导通，一部分电流流经负载，另一部分电流流入电容器使其充电，如图1-60a所示。二极管截止时，电容向负载放电，如图1-60b所示。因此，在整个周期内，由于电容C的充放电作用，负载电流不会中断，负载上电压的脉动程度减少，比不加电容时平滑很多，其波形如图1-60c所示。 2)全波及桥式整流电容滤波 图1-6la、b所示为全波整流和桥式整流电容滤波电路，其波形如图1-61c所示。 全波整流电容滤波电路的工作原理与半波整流电容滤波电路相同。需要指出的是，全波整流电路在电源一个周期内两次对电容充电，并且电容两次对负载放电，使负载得到的输出电压更加平滑，输出电压更高。 电容滤波作用还可以这样粗略地理解:由于电容有隔直流、通交流的作用，整流后的脉动电压中的直流成分只能通过负载电阻，而交流成分被电容C分流而滤掉。电容量越大，容抗越小，交流成分被滤掉越多，滤波效果越好。 在负载RL确定后，电容放电的快慢取决于电容的大小。在实际使用中，为获得较好的滤波效果，电容C常按下式近似选择: 式中，T为交流电源的周期。 电容的耐压，全波整流时为 ，半波整流时应为 。 电容滤波后输出直流电压升高了，一般可按下面关系式近似估算: 半波整流时VL?0.9V， 全波整流时VL?1.2V2 电容滤波电路简单，但只适用于负载电流较小且变化不大的场合，如各种电子设备及分析仪器等。 (2)电感滤波电路是把电感与负载电阻串联组成电感滤波电路，如图1-62所示。 根据电感的特性，脉动电压中的交流成分降在电感上，把直流送给负载电阻而实现滤波。这种滤波器对于负载电流较大、变化也较大的场合效果较好，电子设备及分析仪器中用得很少。 (3)复式滤波是为取得更好的滤波效果，把上述两种简单滤波器组合起来，形成LC滤波器，如图1-63a所示。它的滤波原理是上述两种滤波原理的叠加，再把电容滤波器与LC滤波器进一步组合成LC-π型滤波器，如图1-63b所示。 由于铁心线圈的重量大，线圈绕制不方便，所以在直流负载电流较小(几十毫安以下)时，可以用电阻代替电感组成RC-π型滤波器，如图1-63c所示。电阻R的作用除了降低交流电压外，也降低一部分直流电压。 148(什么是稳压二极管?它有什么用途? 答:稳压二极管又称齐纳二极管，其外形和特性与普通二极管相似，只是反向击穿特性不同。在反向击穿的情况下，普通二极管会损坏，而稳压二极管却正好工作在一定的反向工作击穿区域。反向击穿后，稳压二极管的特性比普通二极管更陡直，反向电流虽然急剧变化，但反向管压降基本保持不变，稳压二极管正是利用反向击穿时的这种特性进行稳压的。由于它稳压性能良好，所以把它经电阻接到整流电路的输出端，能克服电网电压的波动和负载变化的影响，起到稳定电压的作用。 常用的稳压二极管的电路图形符号如图1-64所示。 149(稳压二极管有哪些主要参数? 答:稳压二极管有以下五个主要参数: (1)稳定电压Vz是在稳压二极管稳压范围内，通过的反向电流为规定值时，在极间产生的电压降。 (2)稳定电流Iz在测试反向电参数时给定的反向电流。 (3)电压温度系数CTV在测试电流下，稳定电压的相对变化与环境温度的绝对变化的比值。 (4)最大耗散功耗PZM在给定的使用条件下，稳压二极管允许承受的最大功率。 (5)动态电阻rz在测试电流下，稳压二极管的电压微变量与通过稳压二极管电流微变量的比值。 150(在电路中稳压二极管怎样起稳压作用? 答:图1-65所示为简单稳压电源电路。稳压电路输人电压是经桥式整流滤波后的直流电压，而输出电压是经限流电阻R在稳压二极管VS上得到的稳定的直流电压。 当外界电源电压发生波动或负载两端电压发生变化时，输出电压也随着发生变化，如果输出电压增高，根据稳压二极管的反向击穿特性，稳压二极管的电流IVS便显著增加，电流I也增加，使R上的压降增加，从而保持了输出电压不变。当输出电压下降时，稳压过程相反。另外，当负载电流变化时，输出电压也变化，稳压二极管的电流将显著变化。如负载电流增大，电流I增大，在输入电压不变的情况下，必然引起输出电压趋向降低，于是，稳压二极管的电流减小，使流过R上的电流减小，从而保持输出电压不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。 151(晶体管串联反馈式稳压器是如何进行稳压的? 答:晶体管串联反馈式稳压器如图1-66所示。 当Vo增加时，分压器电阻R2上的电压相应增加，由于稳压二极管VS两端电压不变，所以VT2的VBE就增加，这就使VT2集电极的电位下降，由于VT2的集电极与VT1的基极接在一起，故VT1的基极电位下降，从而使VT1的基极电流IB1减小，使得VT1的管压降增加，由于VT1与RL串联，因此使Vo基本不变。 同理，当Vo下降时，通过负反馈作用，Vo的下降受到阻止，从而使Vo保持稳定。 改变RP的电阻值大小，就可调整Vo的输出。 152(什么是倍压整流电路? 答:倍压整流电路是不用升压变压器就能产生高电压的廉价电路。不论质量如何，它的带负载能力很小。在半波倍压整流电路(见图1-67)中，在C1处于交流输入负半周时，二极管VD1是正向偏置，C1被充电到峰值电压。当C1处于交流输入正半周时，VD1是反向偏置，视为开路。这时二极管VD2是正向偏置，把C2充电到交流输入的峰值电压，再加上储存在C1上的电荷，RL两端的直流输出电压近似等于输人的峰值电压的两倍。这个电路的纹波系数很高，C2不断的对RL放电。 如果是全波倍压整流器(见图1-68)，其纹波系数减小，证明保持平稳的直流输出电压是比较有效的。当输入交流电压的正半周出现在VD1时，VD1是正向偏置，VD2是反向偏置，给C1充电到峰值电压;当输入交流电压的负半周出现在VD2时，VD1是反向偏置，但VD2是正向偏置，给C2充电到峰值电压后，因为C1和C2是串联的，它们的电荷加在一起，大约等于输入的峰值电压的两 值得注意的是，输出电压不断地通过RL放倍，此电压加在负载RL的两端 电，这种电路一般只应用于小电流(即负载电阻必须尽可能高)。 153(三端式集成稳压器有何特点? 答:目前，国内外电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器，由于它只有三个引线端，即不稳定电压输入端、稳定电压输出端(接负载)和公共接地端，固称之为三端式集成稳压器。它的外形和普通晶体管类似，外壳是其公共端，不必将其散热器与底板绝缘，因而使用和安装十分方便。 三端式集成稳压器有78××系列和79××系列等。图l-69a和图1-69b所示为它们的代表符号。 78××系列可输出5V、6V、9V、12V、24V等各档正稳定电压，对应的型号为7805、7806、7809、7812、7824等，外形如图1-70a所示，加散热器后，可提供1.5A的额定输出电流。79××系列可输出负稳定电压，外形如图1-70b所示。 三端式集成稳压器的使用十分方便。使用时，只要从产品手册中查出有关参数指标和外形尺寸，配上适当的散热器，就可以接成所需的稳压电源。 154(集成稳压器单路输出正电压的接法是怎样的? 答:欲获得单路正电压输出，可选择78××系列的正电压输出组件，接成如图1-71所示的电路。例如要输出+12V，可选择7812组件。其典型电路参数为Vi>15V，C1=0.33υF，C2=0.1υF。Cl和C2的作用是减小输入、输出电压的脉动对电路的影响。 155(集成稳压器单路输出负电压的接法是怎样的? 答:欲获得单路负电压输出，可选择79××系列的负电压输出组件，电路接法如图1-72所示。在这里，要注意将整流滤波电路输出的直流电压的极性倒换过来。 156(怎样同时输出两组正、负电压? 答:欲同时输出两组正、负电压，可选择78××、79××系列各一块组件，接成如图1-73所示的电路。图中，Vo1对地为正电压输出，Vc2对地为负电压输出。 157(什么样的接法能扩大输出电流? 答:78××或79××系列的稳压组件，最大输出电流为1.5A。如果所需要的输出电流超过产品组件的额定电流值，可在集成组件的基础上接上电流扩展电路，如图1-74所示。对于78××系列的组件，外接功率管一般选用PNP型，电阻R为其偏置电阻。 158(什么样的接法能使输出电压可调? 答:如果要求输出电压可调时，可以用集成稳压器与线性集成电路组件接成输出电压可调的电路，如图1-75所示。图中把集成运算放大器接成电压跟随器的形式。调节RP的滑动端位置，则可使输出电压Vo在一定范围内连续可调。 159(三端可调式集成稳压器有何特点? 答:三端可调式集成稳压器的三个接线端分别为输入端Vim、输出端Vout和调整端adj，是靠外接电阻来调节输出电压的。它们有LM×17系列和LM×37系列，图l-76所示为它们的代表符号。 LM×17系列输出1.2,37V可调正稳定电压，LM×37系列输出-1.2,-37V可调负稳定电压，图l-77所示为其常见的封装形式和外形图。 160(三端可调式集成稳压器输出正电压的接法是怎样的? 答:欲输出可调正电压，可选择LM×17系列的组件，接成如图1-78所示的电路。例如要输出1.2,20V可调电压，可选择LM317组件，其典型电路参数为Vin?25V，Cl=0.1μF，C2=10μF，Rl=120Ω，R2为2kQ精密电位器且靠近稳压块，VD1、VD2用于保护集成稳压器。 输出和调节引脚之间为1.2V基准电压，即R1两端的电压为1.2V。为保证集成稳压器的输出性能，R1应小于240Ω。固定R1的大小后，流过R1和R2的电流相等且恒定，改变R2阻值即可调整稳压电压值。输出电压为 Vout=(1+R2,R1)×1.2V LM317是常用的三端可调式集成稳压器，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.2,37V。 161(三端可调式集成稳压器输出负电压的接法是怎样的? 答:欲输出可调负电压，可选择LM×37系列的组件，接成图1-79所示的电路。例如要输出-1.2,-20V可调电压，可选择LM137组件，其典型电路参数为Vin?-25，C1=0.1μF，C2=10μF，Rl=120Ω，R2为2kΩ精密电位器且靠近集成稳压器。 162(怎样组成限流保护电路? 答:直流稳压电源的限流保护电路如图l-80所示。Rl为检流电阻，当输出电流，。在额定值以内，使IoR1<0.6V时，VT3截止，VT1和VT2组成的复合调整管正常导通。当输出电流急剧增加时，如超过极限值，即当IoR1>0.6V时，使VT3导通。由于它的分流作用，减少了VT2的基极电流I，使VT1的发射极电流减小，最终导致输出电流Io减小，从而达到限流保护的目的。 163(怎样组成过电流、短路保护电路? 答:直流稳压电源过电流短路保护电路如图1-81所示。运算放大器A组成比较器，在反相输入端通过电位器RP1的调节得到某一设定电压，当负载过流或短路时，流过检流电阻R4的电流超过设定值，引起同相输入的电压大于反相输入端的电压，导致运算放大器的输出翻转。由于晶闸管VTH一直工作在正向，一旦门极触发电压到来，晶闸管就会导通，VT1和VT2组成的复合调整管马上截止，这样，输出电流只是流经晶闸管的电流。因电流很小，则电阻上的电压减小，导致晶闸管门极触发电压撤销，但晶闸管仍处于正向电压导通状态，使复合调整管仍然截止，从而达到过电流短路保护的目的。