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不要再把电源滤波电容加倍了后果很严重!

文章来源:亚洲城人气:发表时间:2018-11-11 11:42

  电容滤波电路原理非常简单:当输入脉动电压ui高于滤波电容两端电压时就对电容充电,而当输入脉动电压ui低于滤波电容两端电压时,滤波电容开始放电承担对负载提供电量的责任,补偿了输入脉动电压ui的下降趋势,从而达到降低脉动电压的脉动程度(纹波系数)。我们也曾经被教育过:滤波电容越大,则滤波后的输出电压纹波越小。

  首先,毫无疑问,容量越大则成本越高,但更重要的是,滤波容量大到一定程度,电容容量所带来的好处会越少。

  很明显可以看到,滤波电容的容量越大,相应的纹波电压是下降了,但是滤波电容越大,则能够获得的好处就更少了,从经济学的角度看,就是边际效益越小(性价比低),不值得这么做;

  其二,滤波容量过大的必要性。如果一件事情没有执行的必要,那我们就没有必要去执行,这看来是句废话,然而这也是电路设计中遵循的适用性法则(够用就好)。

  当输入脉动直流电压的纹波电压经滤波电容(电路)后被控制在允许的范围之内,尽管此时输出的直流电压还有些波动(不是十分稳定),但我们认为滤波电容的历史使命已经圆满完成,滤波电路后面还会有稳压电路进行更为精确地稳压,如下图所示:

  电路系统中的每一个部分都有其主要职责,我们没有必要花费更多的精力让滤波电路去执行它并不擅长的任务,这与每个人都应当做其最擅长的事情也是一样的道理,文章最开始我们就已经讲述了滤波电容存在的目的:降低交流脉动电压(纹波系数),而不是用来输出稳定的电压;

  其三,滤波电容过大的可行性。滤波电容的容量过大,则充电电流(纹波电流)也会越大,过大的纹波电流对电路系统是一个致命的伤害。

  如果说上面两点不成为你使用更大容量的滤波电容的理由(比如,你说你有钱任性,我就想做最好的产品感恩社会,报效祖国,花多点钱不在乎),但在纹波电流的限制下,你想使用容量过大的电容都不行(滤波电容会说:你要做好产品我不管,但你要把我弄得太大,搞不好把电路损坏了,这锅我不背)。

  大多数读者可能对纹波电压都有所了解,但其实相应的也还有纹波电流(Ripple current),它的定义是:在最高工作温度条件下,电容器最大所能承受的交流纹波电流的RMS值(有效值),并且指定的纹波为频率范围(100Hz~120Hz)的正弦波。

  纹波电流在电压上的表现就是脉动电压(纹波),电容器所能承受的最大允许纹波电流受温度、损耗角度及交流频率等参数的限制,在数据手册中通常用 IR来表示,如下图所示的纹波电流(下图来自VISHAY铝电解电容038 RSU数据手册) :

  上图是耐压值为25V的滤波电容的部分数据,相同工艺及容量下,耐压越高则相应的纹波允许电流也越高,那滤波电容的容量过大为什么又会产生更大的纹波电流呢?

  对于同样的桥式整流滤波电路,当滤波电容的容量过大时,其相关波形如下图所示:

  在电路系统刚刚上电时,滤波电容两端的电压为零,此时输入脉动电压ui会逐渐升高,并同时对滤波电容进行充电,如果滤波电容的容量过大,则电容充电的速度会比较慢(电压上升慢),当输入脉动电压ui达到峰值时,此时的输入峰值电压与滤波电容两端的电压差最高的,并且两者之间没有任何阻抗,如下图所示:

  高压低阻状态就会引起瞬间大电流,滤波电容的容量越大,则瞬间的充电(纹波)电流也越大,此时电路的状态就等效于下图所示:

  这种瞬间电流(也称变浪涌电流)很可能超出滤波电容的最大纹波电流,从而将损坏滤波电容,如果由此引起滤波电容短路故障,则其它相关元器件(如整流二极管、保险丝、开关管)也可能在一瞬间报销。

  当然,很多情况下电源滤波电容必须要很大,因此就必须添加相应的保护电路,比如,我们可以串一个限流电阻在电路中,再额外使用继电器进行开关控制,如下图所示:

  当电源刚刚上电时,继电器开关断开,此时限流电阻R1串联在电路中,以防止出现过大的纹波电流,而当滤波电容已经进入正常工作状态后,我们将继电器开关闭合,将限流电阻R1短接,这样可以避免限流电阻R1消耗不必要的电能。

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