制作滤波电路

【任务目标】

（1）了解电容器的结构、材料、参数、种类、用途等相关知识；

（2）熟悉电容器的工作方式；

（3）掌握电容器的适用范围；

（4）掌握识别电解电容器极性的方法；

（5）理解滤波电路的工作原理；

（6）掌握根据电路的要求正确选用参数合适的电容器的方法。

无论哪种整流电路，其输出电压都含有较大的脉动成分。除了一些特殊场合可以直接用作电源外，通常都需要采取一定的措施尽量降低输出电压中的脉动成分，同时又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压，这种措施称为滤波。电容和电感都是基本的滤波元件。

一、电解电容器的基本知识

1.识别电解电容器

如图1－24所示为各类电子元件，请从中挑选出电解电容器。

图1－24 识别电解电容器

2.电解电容器常识

电解电容器由极板和绝缘介质构成。极板具有极性，一个极板为正极，另一个极板为负极，介质材料是很薄的金属氧化膜。因为极板与介质都浸润电解液，所以电解电容器两个电极有正负之分。电解电容器可按极板材料来分类，其中用铝膜做极板的电容器称为铝电解电容器，还有钽电解电容器和铌电解电容器，下面介绍最常用的铝电解电容器。

1）国产铝电解电容器的标记

如图1－25所示为国产天乐牌铝电解电容器，C表示电容器，D表示电解质，220μF表示电容量，25V表示额定最高工作电压，短脚为负极，长脚为正极。另有“CD11”标记，前面的1表示薄式，后面的1为厂家产品系列序号。85℃为最高温度，电容器工作时不能超过此温度。

图1－25 铝电解电容器

2）铝电解电容器的特点

铝电解电容器的突出特点是有正、负极之分。在应用时，一定要保证电解电容器正极电位高于负极电位。如果反接，则铝氧化膜会表现为导体的特性，不具有绝缘性能，反而导通较大电流，导致电容器热膨胀甚至爆炸，在应用时要千万注意这一点。

常用电解电容器容量范围一般为几百纳法至几千微法，甚至更大。耐压规格有6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、160V、250V、450V等。

3．电容器的特性

（1）电容器的充放电特性。当有电压加在电容器两端时，电容器将被充电，随着充电时间的延长，电容器两端电压升高，存储的电能增加；当电容器两端接有负载电阻时，电容器将向电阻供电 （通过电阻放电），随着放电时间的延长，电容器两端电压下降。一般电路中使用电容器，就是要利用电容器的充放电特性。

（2）电容器还具有隔直流、通交流的作用，这里暂不做介绍，将在后面的应用中学习。

4.电解电容器的电路图形符号

电解电容器的电路图形符号如图1－26所示。

图1－26 电解电容器的电路图形符号

（a）新的画法；（b）传统画法；（c）国外画法

5.电解电容器的串、并联应用

1）电容器的并联

在电解电容器的应用中，有时采用并联的方法以取得合适的电容量，电容器并联的总电容值等于各个电容器的电容值之和，耐压值取决于较低的额定电压值，电容器的并联应用如图1－27所示。

图1－27 电容器的并联应用

2）电容器的串联

在电解电容器的应用中，有时采用电容器串联的方法以获得足够耐压，电容器串联的总电容值的倒数等于各个电容器的电容值的倒数之和 （跟电阻并联计算方法一样，如果两只电容器电容值相等，则总电容值为每个电容值的一半），两只电容器串联后总电容值减少了，加在每只电容器上的电压与电容器的电容值成反比，即电容值大的电容器的两端电压低，电容值低的两端电压高。为了使用方便，建议选用两只电容值相等、耐压相同的电容器串联使用。电容器的串联应用如图1－28所示。

图1－28 电解电容器的串联应用

6.判别电解电容器质量的粗略方法

1）感观判别

从外部感观判别电容器的好坏，是指对于损坏特征较明显的电容器，如爆裂、电解质渗出、引脚锈蚀等情况，可以直接观察到损坏特征。

2）万用表判别

用电阻表判别是根据电容器充电原理——在相同的电压下给电容器充电，电容值大的起始充电电流大，电容值小的起始充电电流小。从而通过观察万用表的欧姆挡的指针偏转角度大小，判别起始充电电流的大小，进而判别出电容器电容值大小，如图1－29所示。

图1－29 万用表判别电容器的容量

（a）起始充电；（b）充电电流不断减小

判别方法为，取一只新的电解电容器，应与待检电容器规格相同，用这只新的电容器作为基准。将万用表欧姆挡置于 “×100Ω”（或 “×1kΩ”，视容量大小而定）量程，先将电容放电 （无论原来是否处于充电状态），然后黑笔接电容器正极，红笔接电容器负极，可看到指针发生偏转 （起始偏转角度最大，随着充电的进行指针回转至无穷大附近，这是充电电流逐渐减小至零的过程），粗略记下指针偏转的最大位置；再将待检电容器放电 （检测电容器之前先放电是必须做的动作），然后黑笔接电容器正极，红笔接电容器负极，可看到指针发生偏转。与前一次进行比较，如果偏转最大位置基本一样，说明待检电容器的电容值足够；如果偏转角度小于前一次，则说明待检电容器电容值下降，可考虑更换；如果指针基本不偏转，说明待检电容器电容值为零，应更换相同规格的新的电解电容器。

【注意】给容量较大、电路工作电压较高的电解电容器放电时，尽量避免直接短路放电，因直接短路放电会产生很大的放电电流，产生的热量容易损坏电解电容器的极板和电极。应采用功率较大的电阻器，或借用电烙铁的电源插头 （加热芯电阻）对准两引脚使电容放电。

二、电容滤波电路

电容滤波电路如图1－30所示，在负载电阻RL上并联一只电容器，就构成了电容滤波电路。

图1－30 半波整流电容滤波电路

【小问答】电容器为什么能起滤波作用？

如图1－31所示波形，当电路中没有接通电容时，整流二极管在u2的正半周导通，负半周截止，输出电压UO的波形如图1－31中虚线所示。当电路中并联电容器以后，假设在ωt＝0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时二极管D导通，通过二极管的电流在向负载供电的同时，也向电容C充电 （电容器电压上正下负），如果忽略二极管的内阻，则UC等于变压器次级电压u2。当u2达最大值后开始下降，此时电容上的电压也将由于放电而下降。当u2＜UC时二极管反偏，于是UC以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个正半周，当u2＞UC时二极管又导通。输出电压的波形如图1－31中实线所示。桥式整流电容滤波的原理与半波整流相同，其原理电路和波形如图1－32和图1－33所示。

图1－31 半波整流滤波波形

图1－32 桥式整流滤波电路

图1－33 桥式整流滤波电路波形

（1）当电路中加了滤波电容以后，输出电压的直流成分提高了。在半波整流电路中，电路在不接电容时的输出电压只有半个正弦波，负半周时二极管不导通，输出电压为零。并联电容后，即使二极管截止，由于电容器通过RL放电，输出电压也不为零，因此输出电压的平均值提高了。从图中可以看出，无论是半波整流还是桥式整流，当电路中加上滤波电容以后，UO波形包围的面积显然比虚线部分的面积大了。

输出电压的关系式为：

半波整流滤波

UO＝0.9U2

桥式整流滤波

UO＝（1.2～1.4）U2

（2）加了滤波电容以后，输出电压中的脉动成分降低了。

（3）电容放电时间常数（＝RLC）越大，放电过程越慢，则输出电压越高，脉动成分越少，即滤波效果越好。

（4）由于电容滤波电路的输出电压UO随着输出电流IO变化，所以电容滤波适用于负载电流变化不大的场合。

（5）电容滤波电路中整流二极管的导通时间缩短了。整流管在短暂的导通时间内流过一个很大的冲击电流，对整流管寿命不利，所以必须选择IDM大于负载电流的二极管。

为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中经常根据下式来选择滤波电容器的电容值（在全波或桥式整流情况下）

即

其中，T为电网交流周期。由于电容值比较大，为几十至几千微法，因此一般选用电解电容器。当在电路中接入电容器时，应注意电容的极性不要接反，电容器的耐压应该大于UP。

【附】介绍一种有源滤波 （采用晶体管滤波）电路，如图1－34所示。其特点是利用晶体管的电流放大作用，把通过发射极的负载电流减小 （β＋1）倍以后在基极回路加以滤波，这时偏流电阻Rb比较大，和C1组成的时间常数RbC1很大，使三极管的基极纹波极小（仅几毫伏），则发射极纹波也很小。若将有源滤波折合到发射极，相当于接了一个（β＋1）C1的大电容器，因此有很好的滤波效果。

图1－34 晶体管有源滤波器

实训

桥式整流电容滤波电路的仿真

1.实训目的

（1）熟练使用电路仿真软件对低频电路进行仿真；

（2）了解桥式整流电路的电路结构及工作原理；

（3）了解桥式整流电容滤波电路的结构及工作原理；

（4）了解负载电阻的变化对输出电压的影响。

2.实训步骤

（1）在Multisim软件环境中绘制出桥式全波整流仿真电路，不加滤波电容，电路如图1－35所示，注意元器件标号和各个元器件参数的设置。

（2）双击如图1－35所示电路中的示波器XSC1图标，按如图1－35所示进行参数设置，打开仿真开关，观察到如图1－36所示的仿真波形并记录数据。

图1－35 桥式整流的测量仿真电路及参考设置

图1－36 桥式整流输出仿真波形

（3）在Multisim软件环境中绘制出如图1－37所示的仿真电路，注意元器件标号和各个元器件参数的设置。

图1－37 桥式整流滤波的测量仿真电路及参数设置

（4）双击如图1－37所示电路中的示波器XSC1图标，按如图1－37所示进行参数设置，打开仿真开关，就可以观察到如图1－38所示的仿真波形。

图1－38 桥式整流滤波输出仿真波形

（5）改变桥式整流电容滤波电路中RL的值，使RL为100Ω，重复（3）、（4）操作。

（6）将以上3次测量出的电路的输出电压数据及输出波形记录在表1－7中。

表1－7 桥式整流、电容滤波电路的输出电压及波形

3.说明

（1）电路中T1是交流变压器，能将初级输入的220V纯交流电压变成20V的纯交流电压并从次级输出。D1～D4是桥式全波整流电路，作用是将纯交流电压变成脉动的直流电压。电解电容C1是储能元件，和负载电阻RL并联起滤波作用，可以滤去脉动直流电压中的交流成分，使输出电压趋于平滑。

（2）当RL≠ 时，由于电容C向RL放电，输出电压Uo将随之降低。总之，RL越小，平均输出电压越低。

4.实训要求

对照表1－7所测结果进行全面分析，总结桥式整流滤波电路的特点。

（1）根据表1－7所测数据，计算整流滤波电路的输出电压，并进行分析。

（2）分析讨论实验中电阻的变化对输出电压的影响。