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电容在电路设计时的选取、计算以及作用

滤波电容容量选择、桥式整流、全波整流

1、滤波电容的容量和耐压怎么选择?

例如将AC220V变为9V再经全波整流后,接的滤波电容容量怎么选?再经7805后需要接的滤波电容容量又为多大?

解:AC220V经变压器变压后为AC9V,如采用全波整流其直流峰值为2*9*1.41

倍约25.38V,理论上滤波电容耐压不小于25.38V,考虑到AC220V,在正常情况下在198~242V之间变化的,滤波电容通常选用耐压32V,若采用桥式整流,其直流峰值为9*1.41倍约12.69V,理论上滤波电容耐压不小于12.69V,选用耐压16V即可。经7805后的电容耐压只要大于5V即可。

容量大小,主要是要考滤纹波系数大小、负载电流、电源高频干扰及其他因素来定,通常理论计算较复杂。用7805作稳压模块,全波整流后用电解电容4700uF 作低频滤波,同时并联一个104的瓷片电容作高频滤波,7805后只需有电解电容容量200uF。即可达到很好的效果。

如果要求不高整流后的滤波电容用1000uF也能满足要求。

当电机驱动器设计为使用AC交流电供电时,所设计的电路需先对AC电源整流、再滤波,从而产生直流电源,供电机驱动电路使用。

电路中滤波电容的选型需要考虑几个方面:电容耐压、工作温度、容量等。

输入滤波电容容量的选择和驱动器的驱动电压、最大功率有直接关系,需要作一些计算得到,如果此电容容量过少,驱动器表现为驱动力不足;而容量过大,则增加制造成本。

工程应用中,有这样的一个经验法则:滤波电容容量数值等于驱动功率数值。但需要注意,这只是针对单相220V交流电全波整流的驱动应用,不能断章取义。

下面通过简单的计算推导,介绍容量计算的过程,只作为参考,以文档是广州锋驰运控(http://www.wendangku.net/doc/f491d1922cc58bd63086bd55.html)的工程笔记整理所得,如发现错误请联系我们:E-mail: support@http://www.wendangku.net/doc/f491d1922cc58bd63086bd55.html。

首先,从电容、电阻的RC时间常数τ说起:

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

τ越大,则R两端的电压越平稳,对于脉动电源,则其纹波电压越少。在工程上,当RC时间常数满足以下条件时,可以满足纹波要求:

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T为脉动电源的周期,对于50Hz市电经全波整流后的周期T为:10mS。

故由上两式可以得;

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

R为等效负载电阻;

C为滤波电容容量。

下图为电路示意图:

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

所以,只要得到电机驱动器的等效负载电阻,即可算出滤波电容所需的容量大小。

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

U为电机驱动器输入电压,单位为(V);

P为电机驱动器功率,单位为(W);

为电机驱动器等效负载电阻,单位为Ω。

R

L

结合以上各式:

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

用频率f替代周期T,可得到滤波电容容量的计算公式如下:

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

P为电机驱动器额定输出功率,单位为(W),如P=750W;

U为电机驱动器额定输入交流电压有效值,单位为(V),如国内市电U=220V (AC);

f为经过整流后脉动电源的频率,单位为(Hz),如单相电经全波整流后,f=100Hz;

C为驱动器输入滤波电容容量,单位为(F)。

举例

假设我们设计的驱动器使用市电单相电供电,且电路设计为全波整流,可得:U=220V;

f=100Hz

代入计算公式:得

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故输入滤波电容容量数值大小(单位uF)约等于驱动器的额定功率数值大小(单位W)。

即如果驱动器要求的功率为2.2KW,则滤波电容容量取值为2200uF。

同样地,如果驱动器输入电压为110VAC,则滤波电容容量C应为:

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

即如果你的驱动器要求的功率为300W,则滤波电容容量取值为1200uF。

三相电

因为单相电经全波整流后的电源脉动频率为100Hz;而三相电经全波整流后,其脉动频率为300Hz。所以,使用三相电源供电时,驱动器的输入滤波电容容量可以比单相电时减少三倍,故中、大功率电机驱动器使用三相电供电,可以减少输入滤波电容的容量,从而可以减小电容的体积,节约空间。

电网波动

通常地,设计希望电机驱动器可以在电网电压的一定波动范围内(如±15%)正常工作,且能全功率输出。这时计算滤波电容容量时,电压则不是额定电压,而是驱动器工作的最低电压。

如(220V±15%)的驱动器,计算时用220V,而是(1+15%)*220V,为187V。

另外,为了使你设计的驱动器能够在电网电压波动内可靠工作,除了计算容量,还要考虑电容的耐压值。

全波整流:

全波整流电路(变压器次级带中心抽头的):全波整流是一种对交流整流的电路。在这种整流电路中,在半个周期内,电流流过一个整流器件(比如晶体二极管),而在另一个半周内,电流流经第二个整流器件,并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。

变压器在220V那边的绕组是原边绕组,也叫一次绕组、初级绕组。变压器右边的电压E2a、E2b所在的绕组就是副边绕组,也叫二次绕组、次级绕组。副边绕组上的电压叫做副边电压,E2a、E2b分别是两个副边绕组上的电压。作为全波整流电路,E2a、E2b电压大小应该是相等的。

当E2a>0,E2b>0时,副边电压E2b电压实际方向上正下负,二极管D2阳极接在E2b电压的实际负极,所以D2承受反向电压,所以D2截止。副边电压E2a实际电压方向上正下负,可以使二极管D1导通,不考虑二极管的正向导通压降,则Usc=E2a>0。设Usc的参考方向为上正下负。

当E2a<0,E2b<0时,副边电压E2a电压实际方向上负下正,二极管D1阳极接在电压E2a的实际负极,所以D1承受反向电压,所以D1截止。副边电压E2b实际电压方向上负下正,可以使二极管D2导通,不考虑二极管的正向导通压降,则Usc= -E2b =-E2ba>0。设Usc的参考方向为上正下负。

当E2ba为正时,Usc=E2a;E2ba为负时,Usc= -E2ba。所以负载Rfz 上电压Usc 为副边电压E2ba的绝对值,为正,整个周期都是电压都是正的。

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桥式整流电路原理;-电感滤波原理;-电容滤波原理

桥式整流电路原理

桥式整流电路如图1所示,图中B为电源变压器,它的作用是将交流电网电压e1变成整流电路要求的交流电压e2,RL是要求直流供电的负载电阻,四只整流二极管D1~D4接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。

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图1

桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见,二极管用理想模型来处理,即正向导通电阻为零,反向电阻为无穷大。

在e2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过二极管D1流向RL,再由二极管D3流回变压器,所以D1、D3正向导通,D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图1(a)中虚线箭头表示。

在e2的负半周,其极性与图示相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,只能

经过二极管D2流向RL,再由二极管D4流回变压器,所以D1、D3反偏截止,D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负,与正半周时相同。其电流通路如图1(b)中虚线箭头所示。

综上所述,桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

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图2

根据上述分析,可得桥式整流电路的工作波形如图2。由图可见,通过负载RL 的电流iL以及电压uL的波形都是单方向的全波脉动波形。

桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分的利用,效率较高。因此,这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。

桥式整流电路电感滤波原理

电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点,把电感器与负载串联起来,以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看,当电源提供的电流增大(由

电源电压增加引起)时,电感器L把能量存储起来;而当电流减小时,又把能量释放出来,使负载电流平滑,所以电感L有平波作用。

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桥式整流电路电感滤波优点:整流二极管的导电角大,峰值电流小,输出特性较平坦。

桥式整流电路电感滤波缺点:存在铁心,笨重、体积大,易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。

例1桥式整流器滤波电路如图所示,已知V

1

是220V交流电源,频率为50Hz,

要求直流电压V

L =30V,负载电流I

L

=50mA。试求电源变压器副边电压V

2

的有效值,

选择整流二极管及滤波电容。

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电容在电路设计时的选取、计算以及作用

桥式整流电容滤波原理

电容滤波电路利用电容的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uC时,二极管D1和D3管导通,D2

和D4管截止,电流一路流经负载电阻RL,另一路对电容C充电。当uC>u2,导致D1和D3管反向偏置而截止,电容通过负载电阻RL放电,uC按指数规律缓慢下降。

当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时,D2和D4因加正向电压变为导通状态,u2再次对C充电,uC上升到u2的峰值后又开始下降;下降到一定数值时D2和D4变为截止,C对RL放电,uC按指数规律下降;放电到一定数值时D1和D3变为导通,重复上述过程。

RL、C对充放电的影响

电容在电路设计时的选取、计算以及作用

电容充电时间常数为rDC,因为二极管的rD很小,所以充电时间常数小,充电速度快;RLC为放电时间常数,因为RL较大,放电时间常数远大于充电时间常数,因此,滤波效果取决于放电时间常数。

电容C愈大,负载电阻RL愈大,滤波后输出电压愈平滑,并且其平均值愈大。

2、用一5V直流电源给电路供电,为什么要在这个电源上加三电容接地?

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(1)C72,C74,是高频电容,主要适用于高频滤波和退偶。就是滤除线路中的高频分量,和为线路的高频工作来提高电源特性。C73,是低频电容,主要用于降低电源内阻,改善电源带动负载的能力,滤除低频干扰等。

(2)C73用于给电源提供ripple current(脉冲电流),也可以理解为滤除低频干扰,他也可给你的电路提供一定时间的断电延时。另外两个一般来说只要用1个即可,用于滤除高频干扰,应放在离电源芯片近的地方。