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RC电路和滤波电路

RC电路的应用

RC电路在模拟电路、脉冲数字电路中得到广泛的应用,由于电 路的形式以及信号源和R,C元件参数的不同,因而组成了RC电路的各种应用形式:

微分电路 、积分电路、耦合电路、滤波电路及脉冲分压器。

关键词:

RC电路。

微分、积分电路。

耦合电路。

在模拟及脉冲数字电路中,常常用到由电阻R和电容C组成的RC电路,在些电路中, 电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系,产生了RC电路的 不同应用,下面分别谈谈微分电路、积分电路、耦合电路、脉冲分压器以及滤波电路。

 

1. RC微分电路

  如图1所示,电阻R和电容C串联后接入输入信号VI,由电阻R输出信号VO,当RC 数值与输入方波宽度tW之间满足:

RC<

在 R两端(输出端)得到正、负相间的尖脉冲,而且发生在方波的上升沿和下降沿,如图2 所示。

 

  

 

  在t=t1时,VI由0→Vm,因电容上电压不能突变(来不及充电,相当于短 路,VC=0),输入电压VI全降在电阻R上,即VO=VR=VI=V m。

随后(t>t1),电容C的电压按指数规律快速充电上升,输出电压随之按指数规 律下降(因VO=VI-VC=Vm-VC),经过大约3τ(τ=R × C)时,VCVm,VO0,τ(RC)的值愈小,此过程愈快,输出正 脉冲愈窄。

  t=t2时,VI由Vm→0,相当于输入端被短路,电容原先充有左正右负的电压V m开始按指数规律经电阻R放电,刚开始,电容C来不及放电,他的左端(正电)接地 ,所以VO=-Vm,之后VO随电容的放电也按指数规律减小,同样经过大 约3τ后,放电完毕,输出一个负脉冲。

  只要脉冲宽度tW>(5~10)τ,在tW时间内,电容C已完成充电或放电(约需3 τ),输出端就能输出正负尖脉冲,才能成为微分电路,因而电路的充放电时间常数τ必须 满足:

τ<(1/5~1/10)tW,这是微分电路的必要条件。

  由于输出波形VO与输入波形VI之间恰好符合微分运算的结果[VO=RC( dVI/dt)],即输出波形是取输入波形的变化部分。

如果将VI按傅里叶级展开 ,进行微分运算的结果,也将是VO的表达式。

他主要用于对复杂波形的分离和分频器 ,如从电视信号的复合同步脉冲分离出行同步脉冲和时钟的倍频应用。

 

2. RC耦合电路

  图1中,如果电路时间常数τ(RC)>>tW,他将变成一个RC耦合电路。

输 出波形与输入波形一样。

如图3所示。

 

  

 

  

(1)在t=t1时,第一个方波到来,VI由0→Vm,因电容电压不能突变(VC=0),VO=VR=VI=Vm。

  

(2)t1>tW,电容C缓慢充电,VC缓慢上升为左正右负,V O=VR=VI-VC,VO缓慢下降。

  (3)t=t2时,VO由Vm→0,相当于输入端被短路,此时,VC已充有左 正右负电压Δ[Δ=(VI/τ)×tW],经电阻R非常缓慢地放电。

  (4)t=t3时,因电容还来不及放完电,积累了一定电荷,第二个方波到来,电阻上的电 压就不是Vm,而是VR=Vm-VC(VC≠0),这样第二个输出 方波比第一个输出方 波略微往下平移,第三个输出方波比第二个输出方波又略微往下平移,…,最后,当输出波 形的正半周“面积”与负半周“面积”相等时,就达到了稳定状态。

也就是电容在一个周期 内充得的电荷与放掉的电荷相等时,输出波形就稳定不再平移,电容上的平均电压等于输入 信号中电压的直流分量(利用C的隔直作用),把输入信号往下平移这个直流分量,便得到 输出波形,起到传送输入信号的交流成分,因此是一个耦合电路。

  以上的微分电路与耦合电路,在电路形式上是一样的,关键是tW与τ的关系,下面比 较一下τ与方波周期T(T>tW)不同时的结果,如图4所示。

在这三种情形中,由于电 容C的隔直作用,输出波形都是一个周期内正、负“面积”相等,即其平均值为0,不再含有 直流成份。

  ①当τ>>T时,电容C的充放电非常缓慢,其输出波形近似理想方波,是理想耦合电路。

 

       ②当τ=T时,电容C有一定的充放电,其输出波形的平顶部分有一定的下降或上升,不是 理想方波。

  ③当τ<

 

 

3.  RC积分电路

  如图5所示,电阻R和电容C串联接入输入信号VI,由电容C输出信号V0,当RC  (τ)数值与输入方波宽度tW之间满足:

τ>>tW,这种电路称为积分电路。

在 

电容C两端(输出端)得到锯齿波电压,如图6所示。

 

  

   

(3)t=t2时,VI由Vm→0,相当于输入端被短路,电容原先充有左正右负电 压VI(VI

 

  这样,输出信号就是锯齿波,近似为三角形波,τ>>tW是本电路必要条件,因为他是 在方波到来期间,电容只是缓慢充电,VC还未上升到Vm时,方波就消失,电容 开始放电,以免电容电压出现一个稳定电压值,而且τ越大,锯齿波越接近三角波。

输出波 形是对输入波形积分运算的结果

,他是突出输入信号的直流及缓变分量,降低输入信号的变化量。

 

4.  RC滤波电路(无源)

  在模拟电路,由RC组成的无源滤波电路中,根据电容的接法及大小主要可分为低通滤波 电路(如图7)和高通滤波电路(如图8)。

 

  

(1)在图7的低通滤波电路中,他跟积分电路有些相似(电容C都是并在输出端),但 他们是应 用在不同的电路功能上,积分电路主要是利用电容C充电时的积分作用,在输入方波情形下 ,来产生周期性的锯齿波(三角波),因此电容C及电阻R是根据方波的tW来选取,而 低通滤波电路,是将较高频率的信号旁路掉(因XC=1/(2πfC),f较大时,XC较 小,相当于短路),因而电容C的值是参照低频点的数值来确定,对于电源的滤波电路,理 论上C值愈大愈好。

  

(2)图8的高通滤波电路与微分电路或耦合电路形式相同。

在脉冲数字电路中,因RC与脉 宽tW的关系不同而区分为微分电路和耦合电路;在模拟电路,选择恰当的电容C值, 就可以有选择性地让较高频的信号通过,而阻断直流及低频信号,如高音喇叭串接的电容, 就是阻止中低音进入高音喇叭,以免烧坏。

另一方面,在多级交流放大电路中,他也是一种 耦合电路。

 

5.  RC脉冲分压器

  当需要将脉冲信号经电阻分压传到下一级时,由于电路中存在各种形式的电容,如寄生电容 ,他相当于在负载侧接有一负载电容(如图9),当输入一脉冲信号时,因电容CL的 充电,电压不能突变,使输出波形前沿变坏,失真。

为此,可在R1两端并接一加速电容 C1,这样组成一个RC脉冲分压器(如图10)。

 

  

(1)t=0+时,电容视为短路,电流只流经C1,CL,VO由C1和CL分压得到:

  

  

  

      但是,任何信号源都有一定的内阻,以及一些电路的需要,通常采取过补偿的办法,如电视 信号中,为突出传送图像的轮廓,采用勾边电路,就是通过加大C1的取值。

滤波电路

交流电经过二极管整流之后,方向单一了,但是大小(电流强度)还是处在不断地变化之中。

这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。

要把脉动直流变成波形平滑的直流,还需要再做一番“填平取齐”的工作,这便是滤波。

换句话说,滤波的任务,就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小,改造成接近恒稳的直流电。

 

一、电容滤波

  电容器是一个储存电能的仓库。

在电路中,当有电压加到电容器两端的时候,便对电容器充电,把电能储存在电容器中;当外加电压失去(或降低)之后,电容器将把储存的电能再放出来。

充电的时候,电容器两端的电压逐渐升高,直到接近充电电压;放电的时候,电容器两端的电压逐渐降低,直到完全消失。

电容器的容量越大,负载电阻值越大,充电和放电所需要的时间越长。

这种电容带两端电压不能突变的特性,正好可以用来承担滤波的任务。

  图5-9是最简单的电容滤波电路,电容器与负载电阻并联,接在整流器后面,下面以图5-9(a)所示半波整施情况说明电容滤波的工作过程。

在二极管导通期间,e2向负载电阻Rfz提供电流的同时,向电容器C充电,一直充到最大值。

e2达到最大值以后逐渐下降;而电容器两端电压不能突然变化,仍然保持较高电压。

这时,D受反向电压,不能导通,于是Uc便通过负载电阻Rfz放电。

由于C和Rfz较大,放电速度很慢,在e2下降期间里,电容器C上的电压降得不多。

当e2下一个周期来到并升高到大于Uc时,又再次对电容器充电。

如此重复,电容器C两端(即负载电阻Rfz:

两端)便保持了一个较平稳的电压,在波形图上呈现出比较平滑的波形。

图5-10(a)(b)中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形。

 

   显然,电容量越大,滤波效果越好,输出波形越趋于平滑,输出电压也越高。

但是,电容量达到一定值以后,再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。

通常应根据负载电用和输出电说的大小选择最佳电容量。

表5-2中所列滤波电容器容量和输出电流的关系,可供参考。

电容器的耐压值一般取的1.5倍。

表5-3中列出带有滤波器的整流电路中各电压的关系。

表一、

输出电流

2A左右

1A左右

0.5-1A左右

0.1-0.5A

100-50mA

50mA以下

滤波电容

4000u

2000u

1000u

500u

200u-500u

200u

表二、

 

输入交流电压

(有效值)

负载开路时的

输出电压

带负载时的

输出电压

每管承受的最

大反向电压

半波整流

全波整流

桥式整流

E2

E2+E2

E2

 

约0.6E2

约1.2E2

约1.2E2

 

  采用电容滤波的整流电路,输出电压随时出电流变化较大,这对于变化负载(如乙类推挽电路)来说是很不利的。

二、电感滤波

  利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点,可以用带铁芯的线圈做成滤波器。

电磁滤波输出电压较低,相输出电压波动小,随负载变化也很小,适用于负载电流较大的场合。

 

三、复式滤波器。

  把电容按在负载并联支路,把电感或电阻接在串联支路,可以组成复式滤波器,达到更佳的滤波效果口这种电路的形状很象字母π,所以又叫π型滤波器。

  图5-12所示是由电磁与电容组成的LC滤波器,其滤波效能很高,几乎没有直流电压损失,适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。

但是,这种滤波器由于电感体积和重量大(高频时可减小),比较笨重,成本也较高,一般情况下使用得不多。

   由电阻与电容组成的RC滤波器示于图5-13中。

这种复式滤波器结构简单,能兼起降压、限流作用,滤波效能也较

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