电源滤波电容的选取和选择

在整流滤波电路中，滤波电容的选取多是使用公式RC≥（3～5）T/2，且在实际电路设计中，一些人也认为滤波电容越大越好，其实这种想法是片面的，本文将对这一问题进行深入的探讨。文章首先阐述了研究滤波电容选取的必要性，其次对电路进行了理论上的分析和计算，然后，根据理论计算结果编写程序，模拟电路的工作过程。最后，通过举例讨论滤波电容对电路中的电流、电压及对其它元件参数的影响，从而为优化电路设计奠定了基础。
关键词：整流；滤波；滤波电容
一、引言
在大多数电源电路中，整流电路后都要加接滤波电路，以减小整流电压的脉动程度，满足稳压电路的需要。在许多文献中，对于滤波电容C的选取，多是使用经验公式RC≥（3～5）T/2[1,2]，并认为滤波电容C越大越好；在一些滤波电路的维修中，技术人员经常用比原电路容量大的电容来代替已坏掉的电容。实践证明，在很多情况下这样做是行不通的，电容的选取是否越大越好？电容的选择对前级器件及整体电源的性能有何影响？电容的选取是否有最佳值？本文将对这些问题进行深入的讨论。
如图1所示的简单整流滤波电路，理论上讲，增大电路中的滤波电容C容量的确可以使输出电压的波形变得更为平滑、起伏更小，但在电路接通瞬间，电路中所产生的冲击电流因素却不能被忽略，这是因为，几乎所有的电子元器件都有其可以通过的最大电流值，所以，在选择电子元器件时，必须考虑冲击电流所带来的流过相关元器件瞬间电流的最大值，冲击电流越大，对电子元器件的要求就越高，电路的成本就会提高。
在一些滤波电路的维修中，对滤波电容的替换也存在冲击电流的问题，用大容量的滤波电容代替原来的电容，会使冲击电流增大，在不更换其他元件的前提下，单纯提高滤波电容的容量是危险的，它将使整个电路的实际使用寿命大大缩短，甚至烧毁整个电路。况且，单纯地提高滤波电容的容量对改善输出电压的作用也是有限的，一味地加大滤波电容的容量，只是徒劳地增加电路的成本。
二、简单滤波电路的计算

图 2
如图所示的简单整流滤波电路，以常见的220v50Hz正弦交流电为输入电压。
1．充电电路的计算
在电容的充电过程中,二极管等效电阻为R1，则电路等效为图2
由图2得
将其带入U表达式并整理得：
这是一阶非齐次微分方程，其解为： =

2．放电电路的计算
在电容的放电过程中，电容只和电阻组成回路，其放电方程为：
其中，U为电容充电时达到的最大电压。
三、滤波电路的计算机模拟与讨论
在前面我们已经对滤波电路的工作过程进行了数学推导，而要将滤波电路的工作过程模拟下来，必须进行大量的计算，才能够将电源输出波形逐点描绘下来。通过对波形的观察，选择元件参数，使电路在正常工作的前提下，满足用户对电路在效率、功率、纹波、成本等多方面的要求。下面就程序的构思及应用做简要说明。
图1即为程序所模拟的电路，通过对程序的运行，我们将获得电容C上的一组电压、电流数据，通过大量小间隔时间t（0.00001秒）的代入即可得到电容C的电流及电压波形。程序电压值的计算由递推法得出，电流值由电压值计算得到。
程序运行的简单流程图如下：

图3
1． 计算机程序优化元件选取举例
选取负载电阻R=500Ω，由计算机模拟不同电容情况下的电压和电流波形得如下各图：
（1）R=500Ω,C=100uF
图4
（2）R=500Ω,C=200uF
图5
（3）R=500Ω,C=500uF
图6
（4）R=500Ω,C=1000uF
图7
2．整流滤波电路中滤波电容选取的讨论
由上边的图象可以观察到：当负载电阻不变时，随着电容C容量的增大，曲线变得越来越平滑，但这种方法有一定的片面性，由图6、图7可见：单纯靠增大滤波电容对改善波形和提升直流电压值的作用已十分有限，而且随着电容C容量的增大，电路接通后进入稳态的时间也随之增长；同时，随着滤波电容容量的增大，流经电路的冲击电流也不断增大，如果不注意冲击电流的变化，而一味地增大滤波电容的容量，以此来获得更好的电压输出波形，则必然会导致因冲击电流过大，而损坏电流流经的元器件，否则，为保障整个电路的安全，我们不得不提高其他元器件的指标，这样就使电路的成本大幅增加。因此，为使整流滤波电路能达到最高性价比，必须选取一个能和负载电阻R匹配的电容值，这样，既能使电路的输出电压达到要求，又不提高其他元器件的性能指标，使电路达到最佳的性价比。应用此程序可以准确快速地绘制出所示电路在任意给定的参数下的电流波形和输出电压波形，我们可以比较不同参数电路输出电压波形和电流波形，从而确定最佳的滤波电容参数值。