LC滤波电路_百度文库
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LC滤波电路
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有源滤波与无源滤波有什么区别？
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有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源(用以补偿主电路的谐波)，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点(传统的只能固定补偿)，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功;三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论;APF有并联型和串联型两种，前者用的多;并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高!工作原理有源滤波器是用电流互感器采集直流线路上的电流，经采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制单相桥，根据技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差.无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波(3、5、7)构成低阻抗旁路;单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。区别无源滤波器和有源滤波器，存在以下的区别:工作原理无源滤波器由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道;而有源滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源输出。 谐波处理无源滤波器只能滤除某频率范围内的谐波;但完全可以解决系统中的谐波问题，解决企业用电过程中的实际问题，且可以达到国家电力部门的标准;有源滤波器可动态滤除特定次数的谐波。阻抗影响无源滤波器受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险;而有源滤波不受影响。频率影响无源滤波器谐振点偏移，效果降低;有源滤波器不受影响。负载影响无源滤波器可能因为超载而损坏;有源滤波器无损坏之危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已。负载变化对谐波补偿效果的影响。无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化;有源滤波器不受负载变化影响。 设备造价无源滤波器较低;有源滤波器太高。 应用对比1.有源滤波容量单套不超过100KVA，无源滤波则无此限制。2.有源滤波在提供滤波时，不能或很少提供无功功率补偿，因为要占容量;而无源滤波则同时提供无功功率补偿。3.有源滤波目前最高适用电网电压不超过450V，而低压无源滤波最高适用电网电压可达3000V。4.无源滤波由于其价格优势、且不受硬件限制，广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、电铁、新能源等行业;有源滤波器因无法解决的硬件问题，在大容量场合无法使用，适用于电信、医院等用电功率较小且谐波频率较高的单位，优于无源滤波。
区别大着呢。
简单说，无源滤波器，就是电容器＋电抗器（即：电感器）的组合，利用LC谐振原理滤波。
有源滤波器，实际上是一个电子式谐波发生器，它产生一个与电网谐波的：幅度相同，方向相反的谐波，去抵消电网的谐波。
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有源滤波与无源滤波主要是控制原理不同。
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这几种无源滤波电路，你熟悉几个?
无源缺点:带负载能力差,无放大作用,特性不理想边沿不陡峭,各级互相影响。
1, C值的选取:C不能选的太小，否则负载电容对滤波电路的影响很大，一般IC的输入电容往往有l~lOpF的输入电容。C值选的太大，则会影响滤波电路的高频特性，因为
大电容的高频特性一般都不好。
2, R值的选取:R值过小会加大电源的负载，R值过大则会消耗较多的能量。
RC滤波电路的最大缺陷就是他不仅消耗我们希望抑制的信号能量，而目也消耗我们希望保留的信号能量。另外由于受电容高频特性的限制也不能用在太高频的场合，例如数MHz以上需要用LC滤波器。
1. 电容滤波电路
电容滤波电路
分析电容滤波电路工作原理时，主要是用到了电容器的隔直通交特性和储能特性。前面整流电路输出的脉动性直流电压可分解成一个直流电压和一组频率不同的交流电，交流电压部分就会从电容器流过到地，而直流电压部分却因电容器的通交隔直特性而不能接地才流到下一级电路。这样电容器就把原单向脉动性直流电压中的交流部分的滤去掉了。
另外电容滤波电路也可以用电容储能特性来解释，当单向脉动直流电压处于高峰值时电容就充电，而当处于低峰值电压时就放电，这样把高峰值电压存储起来到低峰值电压处再释放。把高低不平的单向脉动性直流电压转换成比较平滑的直流电压。
滤波电容的容量通常比较大，并且往往是整机电路中容量最大的一只电容器。滤波电容的容量大，滤波效果好。电容滤波电路是各种滤波电路中最常用一种。
电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。
1)理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的SFR参数,这表示频率大于SFR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了。
2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的,或直插式电容的SFR值也不会相同,当然获取SFR值的途径有两个,1)器件Data sheet,如22pf0402电容的SFR值在2G左右, 2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?知道了电容的SFR值后,用软件仿真,如RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作频带是否有足够的噪声抑制比。仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB。
电容的本质是通交流,隔直流,理论上说电源滤波用电容越大越好。但由于引线和PCB布线原因,实际上电容是电感和电容的并联电路,(还有电容本身的电阻,有时也不可忽略)这就引入了谐振频率的概念:ω=1/(LC)1/2在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。
这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。
至于到底用多大的电容,这是一个参考：
电容谐振频率
电容值 DIP (MHz) SMT (MHz)
1.0μF 2.5 5
0.1μF 8 16
0.01μF 25 50
1000pF 80 160
100 pF 250 500
10 pF 800 1.6(GHz)
不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说——主要靠经验。更可靠的做法是将一大一小两个电容并联,因为大电容高频特性差,小电容高频特性好。一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。
2. 电感滤波电路
电感滤波电路的原理也和电容器滤波差不多，也是因为电感器的通直阻交特性和储能特性。从储能方面来解释的话和电容器是一样的原理，从通直阻交特性方面来解释电感器的滤波电路时，电感器是把单向脉动性直流电压分解出来的交流电压部分进行阻碍，而电容器却是短路接地。电感量越大滤波效果越好，由电感器单独作滤波电路的情况很少，一般会和电容一起组合使用。
3. L形RC滤波电路
L形RC滤波电路就是在普通电容滤波电路中电容器前面加个电阻器，电阻器是串联在电路中，而电容器是并联在电路中，这时电阻器和电容器形成了的L字形状，所以称它们为L形RC滤波电路。它的滤波原理和滤波效果都和普通电容滤波电路是差不多，这时电容器和电阻器也构成了分压电路，因为电容的容抗很小，所以对交流分量的分压衰减很大，这样交流量通过电容器短路接地，达到滤波的目的。对于直流电压部分，由于电容器对直流电呈隔离状态，这时电容器对电阻器没有分压作用，直流不会流过电容器。在这种滤波电路中，如果电阻器的阻值不变时，加大滤波电容的容量可以提高滤波效果，滤波电容的容量越大越好。如果滤波电容的容量不变，加大电阻器的阻值也可以提高滤波效果，但是滤波电阻的阻值不能太大，因为滤波电阻的阻值太大的话，直流输出电压就会变小。
LC滤波主要是电感的电阻小,直流损耗小。对交流电的感抗大,滤波效果好。缺点是体积大,笨重。成本高。用在要求高的电源电路中。
RC滤波中的电阻要消耗一部分直流电压,R不能取得很大,用在电流小要求不高的电路中。RC体积小,成本低。滤波效果不如LC电路。
LC滤波一般用在高频电路或电源电路上中 而RC用在低频电路中
LC滤波器应用的频率范围为1kHz～1.5GHz.由于受限于其中电感的Q值，频率响应的截至区不够陡峭。
1, RC滤波器相对于LC滤波器来说，更容易小型化或者集成，LC相对体积就大多了;
2, RC滤波器有耗损，LC滤波器理论上可以无耗损，所以电源部分电路一般都是LC电路;
3, RC比LC的体积要小,成本要底;
4, RC用在低频电路中,LC滤波一般用在高频电路中;
5, RC滤波中的电阻要消耗一部分直流电压,R不能取得很大,用在电流小要求不高的电路中.RC体积小,成本低.滤波效果不如LC电路; LC滤波主要是电感的电阻小,直流损耗小.对交流电的感抗大,滤波效果好.缺点是体积大,笨重.成本高.用在要求高的电源电路中.
6, 滤波级数越多效果也好，但是带来的是损耗和成本越高，所以不建议超过3级;
7, RC滤波器一般常与运算放大器组合使用，构成有源滤波器，多作为低频信号的滤波。例如，在锁相环路中作为环路滤波器使用
4. π形RC滤波电路
首先从结构上来讲，这种滤波电路是由两个电容器和一个电阻器组成，它实际上就是L形滤波电路中电阻器前面再加个电容器接地就成了π形RC滤波电路。两个电容同时进行滤波作用，后面一个滤波电容可以把前面电容未滤完整的直流电压进一步滤波，这样两个电容同时进行滤波，滤波效果当然是更加理想。可以加大第一只滤波电容的容量来提高滤波效果，但第一只滤波电容的容量不能太大，因为刚开机接通电源时，第一只滤波电容容量太大的话充电时间会太长，这一充电电流是流过整流二极管的，当充电电流太大、持续时间太长时，会损坏整流二极管，所以采用这种π形RC滤波电路时，可以使第一只电容容量略有减少，通过调整后面的L形RC滤波电路来提高滤波效果。
5. 多节π形RC滤波电路
多节π形RC滤波电路就是在普通π形RC滤波电路后面再接一个L形RC滤波电路形成多节π形RC滤波电路。其滤波原理和上面普通π形RC滤波电路一样，只是这种滤波电路会有多个直流电压输出端，越是后面的输出端的直流电压滤波效果越好。第一个滤波输出端电压最高，最后一个滤波输出端电压最低，这主要是因为各节电阻器都有电压降。多节π形RC滤波电路是整机电路中用得最多一种滤波电路。
6. π形LC滤波电路
这种滤波电路与普通π形RC滤波电路在结构上基本上是一样的，只是将电阻器更换成电感器而已。因为电阻器对直流电和交流电存在相同的电阻，而电感器对交流电感抗大，对直流电感抗小，这样既可以提高交流滤波效果，还不会降低直流输出电压，因为电感器对直流电不存在感抗，不会像电阻器那样对直流电也存在电压降。电感器的通直阻交特性是这种滤波电路的最大优点，但是电感器的成本高所以这种滤波电路没有π形RC滤波电路使用得多。
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LC滤波电路原理及设计详解
LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所以称为无源滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要；无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。LC滤波器的适用场合无源LC电路不易集成，通常电源中整流后的滤波电路均采用无源电路，且在大电流负载时应采用LC电路。有源滤波器适用场合有源滤波器电路不适于高压大电流的负载，只适用于信号处理，滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。电容滤波电路/电感滤波电路作用原理整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值／输出电压的直流分量半波整流输出电压的脉动系数为S=1．57，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O．67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动系数S=1／(4(RLC／T-1)。(T为整流输出的直流脉动电压的周期。)电阻滤波电路RC-π型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图1(B)RC滤波电路。若用S表示C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R)S。由分析可知，电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端，最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情况下，R愈大，C2愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大C2的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。这种电路一般用于负载电流比较小的场合.电感滤波电路根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图1所示。因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。（A）电容滤波（B）C-R-C或RC-π型电阻滤波脉动系数S=(1/ωC2R')S'（C）L-C电感滤波（D）π型滤波或叫C-L-C滤波图1无源滤波电路的基本形式并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，在整流电路的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。电感滤波缺点是体积大,成本高。桥式整流电感滤波电路如图2所示。电感滤波的波形图如图2所示。根据电感的特点，当输出电流发生变化时，L中将感应出一个反电势，使整流管的导电角增大，其方向将阻止电流发生变化。图2电感滤波电路在桥式整流电路中，当u2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后u2不到90°。当u2超过90°后开始下降，电感上的反电势有助于D1、D3继续导电。当u2处于负半周时，D2、D4导电，变压器副边电压全部加到D1、D3两端，致使D1、D3反偏而截止，此时，电感中的电流将经由D2、D4提供。由于桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角θ都是180°，这一点与电容滤波电路不同。图3电感滤波电路波形图已知桥式整流电路二极管的导通角是180°，整流输出电压是半个半个正弦波，其平均值约为。电感滤波电路，二极管的导通角也是180°，当忽略电感器L的电阻时，负载上输出的电压平均值也是。如果考虑滤波电感的直流电阻R，则电感滤波电路输出的电压平均值为要注意电感滤波电路的电流必须要足够大，即RL不能太大，应满足wL>>RL，此时IO（AV）可用下式计算由于电感的直流电阻小，交流阻抗很大，因此直流分量经过电感后的损失很小，但是对于交流分量，在wL和上分压后，很大一部分交流分量降落在电感上，因而降低了输出电压中的脉动成分。电感L愈大，RL愈小，则滤波效果愈好，所以电感滤波适用于负载电流比较大且变化比较大的场合。采用电感滤波以后，延长了整流管的导电角，从而避免了过大的冲击电流。电容滤波原理详解1．空载时的情况当电路采用电容滤波，输出端空载，如图4(a)所示，设初始时电容电压uC为零。接入电源后，当u2在正半周时，通过D1、D3向电容器C充电；当在u2的负半周时，通过D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为（a）电路图（b）波形图图4空载时桥式整流电容滤波电路式中包括变压器副边绕组的直流电阻和二极管的正向导通电阻。由于一般很小，电容器很快就充到交流电压u2的最大值，如波形图2（b）的时刻。此后，u2开始下降，由于电路输出端没接负载，电容器没有放电回路，所以电容电压值uC不变，此时，uC＞u2，二极管两端承受反向电压，处于截止状态，电路的输出电压，电路输出维持一个恒定值。实际上电路总要带一定的负载，有负载的情况如下。2．带载时的情况图5给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在时刻，即达到u290°峰值时，u2开始以正弦规律下降，此时二极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。先设达到90°后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90°后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，uC的下降速率越来越慢。所以在超过90°后的某一点，例如图5(b)中的t2时刻，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，u2再次超过uC，如图5(b)中的t3时刻，二极管重又导电。以上过程电容器的放电时间常数为电容滤波一般负载电流较小，可以满足td较大的条件，所以输出电压波形的放电段比较平缓，纹波较小，输出脉动系数S小，输出平均电压UO(AV)大，具有较好的滤波特性。（a）电路图（b）波形图图5带载时桥式整流滤波电路以上滤波电路都有一个共性,那就是需要很大的电容容量才能满足要求,这样一来大容量电容在加电瞬间很有很大的短路电流,这个电流对整流二极管,变压器冲击很大,所以现在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC热敏电阻来维持平衡,因NTC热敏电阻在常温下电阻很大,加电后随着温度升高，电阻阻值迅速减小,这个电路叫软起动电路。这种电路缺点是：断电后，在热时间常数内，NTC热敏电阻没有恢复到零功率电阻值，所以不宜频繁的开启。为什么整流后加上滤波电容在不带负载时电压为何升高？这是因为加上滤波测得的电压是含有脉动成分的峰值电压，加上负载后就是平均值，计算：峰值电压=1.414×理论输出电压有源滤波-电子电路滤波。电阻滤波本身有很多矛盾，电感滤波成本又高，故一般线路常采用有源滤波电路，电路如图6。它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件晶体管T组成的射极输出器连接而成的电路。由图6可知，流过R的电流IR=IE／(1+β)=IRL／(1+β)。流过电阻R的电流仅为负载电流的1/(1+β)．所以可以采用较大的R，与C2配合以获得较好的滤波效果，以使C2两端的电压的脉动成分减小，输出电压和C2两端的电压基本相等，因此输出电压的脉动成分也得到了削减。从RL负载电阻两端看，基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路，相当于R减小了(1+β)倍，而C2增大了(1+β)倍。这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1／β，比如晶体管的直流放大系数β=50，如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为1000μF，如采用电子滤波器，那么电容只需要20μF就满足要求了。采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果，因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。
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