电源系统电路--π形RC 滤波电路和π形LC 滤波电路

电源滤波电路中，π 形滤波电路是最常见的一种滤波电路，其中π 形RC 滤波电路应用最为广泛。

π 形RC滤波电路

电路特点说明
（1）这是一种常用的滤波电路，几乎所有的电源电路中都使用这种滤波电路，它的成本低，电路结构简单。
（2） π形RC 滤波电路是一种复合型的滤波电路，它主要由滤波电阻和滤波电容复合而成，其中滤波电容起滤波的主要作用。
（3） π形RC 滤波电路中，前节的滤波电容容量大，后节的滤波电容容量小。

图3-51 所示是π 形RC 滤波电路。电路中，C1、C2 是两只滤波电容，R1 是滤波电阻，C1、R1 和C2 构成一节π 形RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同字母π 和采用了电阻、电容，因此称为π 形RC 滤波电路。从电路中可以看出，π 形RC 滤波电路接在整流电路的输出端。

图3-51　π 形RC 滤波电路

1．电路分析

（1）这一电路的滤波原理是：从整流电路输出的电压首先经过C1 的滤波，大部分的交流成分被滤除，见图中的交流电流示意图。经过C1 滤波后的电压再加到由R1 和C2 构成的滤波电路中，电容C2 进一步对交流成分进行滤波，有少量的交流电流通过C2 到达地线，如图中的少量交流电流所示。

（2）可以这样理解R1 和C2 滤波电路的工作原理：将电容C2 的容抗XC 与电阻R1 构成一个分压电路，图3-52所示是等效电路。对于直流电而言，由于电容C2 具有隔直作用，直流电流不能流过电容C2，直流电流只能流过电阻R1，如图中直流电流所示，所以，R1 和C2 分压电路对直流电压不存在分压衰减的作用，这样直流电压通过R1输出；对于交流电流而言，因为C2 的容量很大，容抗很小，所以R1、C2 构成的分压电路对交流成分的分压衰减量很大，达到滤波目的。

图3-52　R1、C2 等效电路

（3）在电阻R1 阻值大小不变时，加大滤波电容C2 的容量可以提高滤波效果，这是因为C2 容量大后其容抗小，对交流成分的分压衰减量更大；在C2 容量大小不变时，加大R1 的阻值也可以提高滤波效果，这是因为加大R1 的阻值后分压衰减电路对交流成分衰减量增大，所以滤波效果更好。但是，滤波电阻R1 的阻值不能太大，因为流过负载的直流电流流过电阻R1，会在R1 上产生很大的直流电压降，使滤波电路输出的直流输出电压 减小。R1 的阻值愈大，在R1 上的电压降愈大，使滤波电路输出的直流输出电压  愈低；流过负载的直流电流愈大时，在R1 上的电压降也愈大，使直流输出电压  也愈低。

（4）电路中，C1 是第一节滤波电容，加大它的容量可以提高滤波效果，但是C1 太大时，在开机时对C1 的充电时间很长，这一充电电流是流过整流二极管的，当充电电流太大、时间太长时，会损坏整流二极管，所以采用这种π 形RC 滤波电路可以使C1 容量小一些，通过R1 和C2 来进一步提高滤波效果。

（5）这一滤波电路中共有两个直流电压输出端，分别输出  、  两个直流电压。其中，  只经过电容C1 滤波； 则经过了C1、R1和C2 电路的滤波，所以滤波效果更好，直流输出电压  中的交流成分更小。

（6）上述两个直流输出电压的大小是不同的， 电压最高，一般这一电压直接加到功率放大器电路，或加到需要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中，这是因为这一路直流输出电压没有经过滤波电阻，能够输出最大的直流电压和直流电流；直流输出电压  稍低，这是因为电阻R1 对直流电压存在电压降，同时由于滤波电阻R1 的存在，这一滤波电路输出的直流电流大小也受到了一定的限制。

提示
在多节RC 滤波电路中，最后一级的直流输出电压最低而且交流成分最少，这一电压一般供给前级电路作为直流工作电压，因为前级电路的直流工作电压比较低，而且要求直流工作电压中的交流成分少。

2．电路故障分析

（1）当滤波电容C1 开路时，整个π 形RC滤波电路的滤波性能变劣，直流输出电压  中含有大量的交流成分，同时，另一种直流输出电压  中含的交流成分也增加许多；当C1击穿时，直流输出电压  、  为0V；当C1漏电时，直流输出电压  、  下降，而且交流成分增大。

（2）当滤波电阻R1 开路时，直流输出电压  正常，直流输出电压  为0V；当R1短路时，直流输出电压  等于  ，此时整机电路中的一部分电路的直流工作电压将升高，使这部分电路工作失常，表现为放大器的放大倍数增大，电路的噪声增大。

（3）当滤波电容C2 开路时，对直流输出电压  没有影响，另一路直流输出电压  中含的交流成分也增加许多，而且这一路直流输出电压源的内阻增大，容易产生啸叫等故障；当C2 击穿时，直流输出电压  将减小，  为0V；当C2 漏电时，直流输出电压  略有减小，  下降，而且交流成分增大。

（4）滤波电阻R1 的主要故障是开路，短路故障理论上存在，但实际中很少发生。

多节π 形RC滤波电路工作原理分析与理解

电路特点说明
（1）实用的滤波电路通常都是多节的，即由几节π形RC 滤波电路组成，各节π形RC 滤波电路之间可以是串联连接，也可以是并联连接。
（2）多节π形RC 滤波电路也是由滤波电容和滤波电阻构成的。

图3-53 所示是多节π 形RC 滤波电路。电路中，C1、C2、C3 是3 只滤波电容，其中C1是第一节的滤波电容，C3 是最后一节的滤波电容；R1 和R2 是滤波电阻。

图3-53　多节π 形RC 滤波电路

1．电路分析

这一滤波电路的工作原理与上面的π 形RC滤波电路基本相同，这里再说明下列几点：

（1） 这一滤波电路是多节π 形RC 滤波电路，实用电路中还可以有更多节的π 形RC 滤波电路。在多节π 形RC 滤波电路中，前面的滤波电阻其阻值较小，后面的可以较大，这是因为流过前面滤波电阻的直流工作电流比较大，后面的比较小，这样在滤波电阻上的直流电压降比较小，对直流输出电压的大小影响不太大。

（2）多节π 形RC 滤波电路中，整流电路、滤波电路输出端输出的总电流要分成几路，如图中所示，I 是总电流，分成了  、  、  。

（3）多节π 形RC 滤波电路中，愈是后面的直流输出电压端输出电压愈低，并且直流输出电压中的交流成分愈少。

2．电路故障分析

（1）当滤波电容C1 开路时，整个多节π形RC 滤波电路的滤波性能受到严重影响，直流输出电压  根本没有得到滤波电路的滤波，其中含有大量的交流成分。同时，另两路直流输出电压  、  中的交流成分也增加许多；当C1 击穿时，直流输出电压  、  和  均为0V；当C1 漏电时，直流输出电压  、  和  均有不同程度下降，而且交流成分增大，整流电路中出现交流声大故障。

（2）当滤波电阻R1 开路时，直流输出电压U 正常，直流输出电压  和  均为0V；当R1 短路时，直流输出电压  等于  ，  也有增大，此时会使整机电路中的一部分电路直流工作电压升高，使这部分电路工作失常，表现为放大器的放大倍数增大，电路的噪声将增大许多。

（3）当滤波电容C2 开路时，对直流输出电压  没有影响，另两路直流输出电压  、  中的交流成分增加许多，而且这两路直流输出电压源的内阻增大，使退耦性能降低，容易产生啸叫等故障；当C2 击穿时，直流输出电压  将减小，  和  为0V；当C2 漏电时，直流输出电压  略有减小，  和  下降，而且交流成分增大。

（4）当滤波电阻R2 开路时，直流输出电压  和  正常，直流输出电压  为0V；当R2 短路时，直流输出电压  正常，  等于  ，此时整机电路中的一部分电路直流工作电压将升高，使这部分电路工作失常，电路的噪声增大。

（5）当滤波电容C3 开路时，对直流输出电压  和  没有影响，直流输出电压  中的交流成分增加许多，而且这一路直流输出电压源的内阻增大，电路容易产生啸叫等故障；当C3 击穿时，直流输出电压  将有所减小，U 为0V；当C3 漏电时，直流输出电压  和  略有减小，而且交流成分增大。

（6） 滤波电阻R1 和R2 的主要故障是开路，短路故障理论上存在，但实际中很少发生。

3．多节π 形RC 滤波串并联电路

图3-54 所示是多节π 形RC 滤波串并联电路。从电路中可以看出，RC 滤波电路有串联也有并联，能够输出3 路直流工作电压。

图3-54　多节π 形RC 滤波串并联电路

关于这一多节π 形RC 滤波串并联电路的工作原理和电路故障分析，主要说明下列几点：

（1）滤波电容C2 上的直流工作电压分成两种， 接有R2 和C3、R3和C4 并联π 形RC 滤波电路，而这两节滤波电路与R1 和C2 滤波电路之间是串联连接。

（2） 对这一多节π 形RC 滤波串并联电路的故障分析运用串并联电路基本工作原理可以方便进行。

（3）当R1 开路时，R2 和R3 支路都没有直流工作电压输出，R1、C1、C2 的任何故障都导致R2 和R3 支路直流工作电压输出的不正常。

（4）当R2 或R3 开路时，只影响所在支路的直流工作电压输出，不影响其他任何一个滤波电路的直流工作电压输出。

（5）当C3 或C4 开路时，也不影响其他任何一个支路的直流工作电压正常输出，只是所在支路的滤波效果下降。但是，C3 或C4 短路时，不仅影响所在支路的直流工作电压输出，还要影响到其他所有支路直流工作电压的输出。

π 形LC滤波电路

π 形RC滤波电路中，由于使用了滤波电阻，当直流电流流过滤波电阻时，在该电阻上会产生直流电压降，当直流电流很大时，这一直流电压降会很大，为了解决这一问题，引入了π形LC 滤波电路。

图3-55 所示是π 形LC 滤波电路。电路中，C1 和C2 是滤波电容，L1 是滤波电感，L1 代替π 形RC 滤波电路中的滤波电阻。

图3-55　π 形LC 滤波电路

1．电路分析

这一滤波电路与π 形RC 滤波电路的工作原理基本相似，这里主要说明下列几点：

（1）这一滤波电路也有两个直流工作电压输出端，分别输出直流工作电压  和  ，其中  经过了滤波电感，所以其交流成分远少于  。

（2） L1和C2这节滤波电路的工作原理是：经过C1 滤波的电压加到L1 和C2 这节滤波电路中，对于直流电压而言，由于电感L1 的直流电阻很小，因此直流电流流过L1 时在L1 上产生的直流电压降很小，这一点比滤波电阻要好；对于交流成分而言，因为电感L1 感抗的存在，且这一感抗很大，这一感抗与电容C2 的容抗（容抗很小）构成分压衰减电路，对交流成分有很大的衰减作用，达到滤波的目的。

（3）由于滤波电感L1 的直流电阻很小，因此在L1 上的直流电压降很小（可以不计），这样滤波电路的直流输出电压  大小基本上与  相等，这是π 形LC 滤波电路的特点。

（4） π 形LC 滤波电路中，滤波电感L1 的电感量愈大，其感抗愈大，滤波效果愈好。

（5）实用电源滤波电路中，在π 形LC 滤波电路之后也可以接入π 形RC 滤波电路。

（6）由于滤波电感L1 的成本比滤波电阻的成本高得多，所以电源电路中π 形LC 滤波电路的应用不是很多。

2．电路故障分析

（1）对这一滤波电路的故障分析与前面的π 形RC 滤波电路的故障分析基本相似，只是对滤波电感L1 的故障分析有所不同。

（2）当滤波电感L1 开路时，直流输出电压 正常，直流输出电压 为0V；当L1 短路时，对直流输出电压 的大小没有影响，只是 这一路的滤波效果变劣，会出现交流声大故障。

（3）滤波电感主要是开路故障，短路故障发生率比较低。

高频滤波电路

图3-56 所示是电源电路中的高频滤波电容电路。电路中，一个容量很大的电解电容C1 与一个容量很小的电容C2 并联。C1 是一个1000μF 的大容量滤波电容，C2 是一个只有0.01μF 的小电容，为高频滤波电容，用来进行高频成分的滤波，这种一大一小的电容相并联的电路在电源电路中十分常见。

图3-56　高频滤波电容电路

1．电路分析

（1）电源电路将220V 的交流市电进行整流和滤波，由于电网中存在大量的高频干扰，因此要求在电源电路中对高频干扰成分进行滤波。电源电路中的高频滤波电容电路就是起这一高频滤波作用的电路。

（2）从理论上讲，在同一频率下容量大的电容其容抗小，这样一大一小两电容相并联后容量小的电容C2 是不起作用的。但是，由于大容量电容存在感抗特性（在前面讲解电解电容特性时已经介绍），它在高频情况下的阻抗反而大于低频时的容抗。

（3）为了补偿大电容C1 在高频情况下的这一不足，再并联一个小电容C2。由于小电容的容量小，在制造时可以克服电感特性，所以小电容C2 几乎不存在电感。当电路的工作频率高时，小电容C2 的容抗已经很小，这样高频干扰信号是通过小电容C2 滤波到地的。

（4）这一电路中，整流电路输出的单向脉动性直流电压中的绝大多数是频率比较低的交流成分，对这些交流成分小电容不工作（因为小电容对低频交流成分的容抗大而相当于开路状态），此时主要是大电容C1 在工作，流过C1的是低频交流成分。

（5）对于高频成分而言，频率比较高，大电容C1 处于开路状态而不工作，小电容C2 的容抗远小于C1 的阻抗而处于工作状态，用于滤除各种高频干扰信号，所以流过C2 的是高频成分。

2．故障分析

（1）滤波电容C1 的电路故障分析与前面的滤波电容电路的故障分析一样。

（2）当高频滤波电容C2 开路时，整机电路的正常工作基本不受影响，偶尔会发生高频干扰故障，出现高频啸叫现象；当C2 击穿时，滤波电路没有直流工作电压输出，而且会熔断电源电路中的保险丝；当C2 漏电时，滤波电路输出的直流工作电压将有所下降。

地线有害耦合与滤波电路

滤波电路不仅要对整流电路输出的单向脉动性直流电压中的交流成分进行滤波，还要去掉直流电流中的各种干扰成分。

1．单路直流电源电路

图3-57 所示是单路直流电源电路。电路中，T1 是电源变压器，它只有一组二次绕组；C1是滤波电容，C2 是高频滤波电容。

图3-57　单路直流电源电路

从电路中可以看出，如果电路中A 点存在各种干扰成分，高频干扰成分通过高频滤波电容C2流到地线，低频干扰成分通过C1流到地线，这样就不能加到后面的负载电路中了。如果没有滤波电容C1 和C2，电路中A 点的干扰成分将流入负载电路中，影响负载电路的正常工作。

由于这一直流电源电路只有一路，因此干扰成分主要来自交流电网中，而许多整机电路中需要有多路的直流电源电路，这时干扰成分来源又增加了。

2．两路直流电源电路之一

图3-58 所示是第一种两路直流电源电路。电路中，T1 是电源变压器，它只有一组带抽头的二次绕组；C1 和C2 是低频滤波电容，C3 和C4 是高频滤波电容。

图3-58　两路直流电源电路之一

（1）电路中A 点的干扰成分分别通过C1和C3 流到地线，电路中B 点的干扰成分分别通过C2 和C4 流到地线。

（2）从电路中可以看出，电源变压器T1二次绕组由于有抽头，接入了两组整流、滤波电路，能够输出两路直流工作电压。

（3）两路整流、滤波电路有共用的部分，即电源变压器T1 二次绕组抽头以下绕组和接地引线，两个负载电路中的电流都流过了这一共用的电路，这个共用电路所产生的干扰成分会对两个负载电路造成有害影响。

（4）图3-59 所示是共用电路对两个负载电路的有害影响示意图。电路中，R1 构成两个负载电路的共用电路。负载电路1 的电流流过R1，在电路中的A 点会产生一个电压降，这个电压降就相当于是负载电路2 的输入信号而加到负载电路2 中，对负载电路2 的正常工作造成有害影响。同时，负载电路2 的电流在电路中A 点产生的电压降影响负载电路1 的正常工作。所以，在负载电路的输入端接入对地旁路电容很有必要。

图3-59　共用电路对两个负载电路的有害影响示意图

（5）图3-60（ a）所示是逻辑学上的交叉关系示意图，上述电路分析可以用逻辑学中的交叉概念来说明，这也是电路故障分析常用的逻辑推理方法。

从交叉关系示意图中可以看出，C 部分是A 和B 的共用部分，C 部分同时影响A 和B。当C 部分出现故障时，必将导致A 和B 同时出现故障。

图3-60 （b）所示是逻辑学的重合概念示意图，它也可以用来对应电路中的故障部位。

图3-60　逻辑学上的交叉关系示意图

3．两路直流电源电路之二

图3-61 所示是第二种两路直流电源电路。电路中，T1 是电源变压器，它只有一组带抽头的二次绕组，但是二次绕组的结构与上一种电源电路不同，其抽头接地；C1 和C2 是低频滤波电容，C3 和C4 是高频滤波电容。

图3-61　两路直流电源电路之二

（1）由于电源变压器的二次绕组抽头接地，两组整流、滤波和负载电路只有二次绕组的抽头接地引线是共用的，共用部分电路相当少。因两组直流电源电路之间的相互耦合比前一种电路少，两组直流电源电路之间的相互有害影响小。

（2）虽然电源变压器二次绕组抽头接地了，将二次绕组分成了两组相对“独立”的绕组，但是二次绕组抽头以上绕组和抽头以下绕组之间仍然存在磁路（磁力线所通过的路径，相当于电路）之间的相互影响。

（3）这一电路的其他部分电路的工作原理与前面相同。

4．两路直流电源电路之三

图3-62 所示是第三种两路直流电源电路。电路中，T1 是电源变压器，它只有两组独立的二次绕组；C1 和C2 是低频滤波电容，C3 和C4 是高频滤波电容。

图3-62　两路直流电源电路之三

（1）这一电路与前面一种电路相比较，由于两组二次绕组相互独立，因此相互影响要小一些。两种整流、滤波和负载电路之间主要是地线共用，电源变压器两组二次绕组之间的磁路会相互影响。

（2）由于电源变压器采用两组独立的二次绕组，因此变压器制作工艺复杂一些，成本增加了，但抗干扰效果优于带抽头的一组二次绕组的变压器。

5．两路直流电源电路之四

图3-63 所示是第四种两路直流电源电路。电路中，T1 是电源变压器，它只有两组独立的二次绕组；C1 和C2 是低频滤波电容，C3 和C4 是高频滤波电容。

图3-63　两路直流电源电路之四

（1）从电路图中可以看出，这一电路与前面电路的不同之处是两组整流、滤波、负载电路的接地符号不同，这表示两组整流、滤波、负载电路之间使用不同的地线回路，使由于地线造成的两组直流电源之间的有害影响为零，其抗干扰性能显然优于前面的电路。

（2）这一电路中的电源变压器的两组二次绕组之间仍然存在磁路上的相互影响。如果电路上要求需要将磁路之间的相互影响也降低到最低限度，可以采用两只独立的电源变压器供电，而且两只电源变压器接地线路彼此独立。

 

 

参考资料：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/664303746