阿荣是机械专业出身想在业余时间把电子电路的基本功补上。第一次动手做电源类项目时他没有直接去做开关电源而是从经典的 LC 整流滤波电路切入。这个选择比较适合入门交流变直流需要整流降低纹波需要滤波而 LC 滤波又正好把电感和电容两个最常用的无源器件放在同一个电路里。相比单纯用电容滤波LC 方案在负载电流稍大、对纹波又比较敏感的场合会更有优势也更容易解释电感为什么能抑制电流突变。这套 DIY 制作的目标很明确把一个交流 12V 的低压输入经过整流桥变成脉动直流再经过电感和电解电容组成的 LC 滤波器给负载提供比较平滑的直流电压。制作过程中会用到集成整流桥、工字电感、电解电容、洞洞板、万用表和示波器。只要元件参数选得合理焊接顺序不出错最后可以清楚看到整流桥输出端带明显 100Hz 起伏的波形经过 LC 滤波后接近一条平稳直线。这比单纯背电路图更能理解电源纹波是怎么产生的又是怎么被压下去的。1. 为什么整流之后还要加 LC 滤波1.1 整流解决的是“方向”问题不是“平滑”问题交流电的电压方向会周期性变化。家用电器里的变压器或电源适配器首先要把这种交变电压降到一个合适的低压然后再通过整流电路得到单向脉动电压。整流的本质是二极管单向导电。半波整流会把半个周期丢掉全波整流或桥式整流会把负半周期也“翻”成正半周期。桥式整流是最常见的做法因为它不需要带中心抽头的变压器四个二极管或一个集成整流桥就能完成。如果只看输出波形桥式整流后的电压并不是稳定直流。它是一串大小不断变化的正向脉冲每个工频周期里有两个波峰所以输出电压含有大量 100Hz 的纹波频率是市电频率的 2 倍。对需要平稳直流供电的电路来说这种电压直接接上去是不行的。后面那一级“平滑电压”的工作就交给滤波电路。1.2 电容滤波能工作但代价不只有体积电容最基本的特点是电压不能突变。把它并联在负载两端当整流输出电压上升时电容会充电当输入电压下降到低于电容端电压时电容又会向负载放电把电压托住。所以电容滤波之后输出电压会比脉动电压平滑很多空载时甚至接近整流输出的峰值。不过纯电容滤波有几个问题容易被初学者忽略。第一电容只在电压峰值附近小角度导通充电时间很短导致整流二极管流过的瞬时电流很大。负载越重、电容容量越大这种电流尖峰越明显。第二要降低纹波通常只能不断加大电容容量。但电容越大体积和成本越高上电瞬间的充电浪涌也会更大。第三电容滤波后输出带载电压会随着负载电流波动。电容只能靠放电维持电压如果负载瞬间增大放电很快纹波会立刻变大。因此在实际电源里很多人会在整流桥和滤波电容之间串联一个电感组成 LC 滤波让电感先把电流变化放慢再让电容承担稳压任务。1.3 LC 滤波相当于一个低通网络电感的基本特点是电流不能突变。当输出电流有波动时电感会产生反向电动势来抵抗电流变化所以它对纹波中的高频交流分量呈现出较大阻抗对直流分量则只有很小的铜线电阻。把电感和后面的滤波电容组合在一起就构成了一个典型的低通滤波网络。可以这样理解整条信号链路整流桥输出的是一串 100Hz 的脉动直流。电感像一道“阻力墙”对高频纹波阻力大对直流很容易放行。电容像一个“蓄水池”负责吸收残余波动维持负载端电压。两者配合后100Hz 以及更高频率的纹波被进一步削弱。LC 滤波的好处是在同样纹波要求下电容容量可以不用像纯电容滤波那样加到很大整流管导通角也会变宽尖峰电流被抑制对负载电流变化有一定适应性。缺点则是电感体积大、有直流电阻、成本更高而且如果元件参数设计不合理可能会在某个频率产生谐振峰。所以 DIY 时不建议乱选参数应该先估算转折频率。滤波方案优点缺点典型场景半波整流 电容结构最简单、元件少纹波大、变压器利用率低小电流充电或玩具电路桥式整流 电容体积较小、适合小功率充电尖峰大、纹波受电容容量限制稳压芯片前级、简单直流电源桥式整流 LC 滤波纹波抑制明显、电流波形平滑电感体积和成本高不能随意选型功放电源、对纹波敏感的模拟电路整流 LC 稳压芯片输出电压稳定、纹波极低电路层级多、效率受线性稳压限制仪表、传感器、开发板供电2. 用 12V 低压电源做 LC 滤波参数先算再动手2.1 先明确电路连接关系再思考 PCB 布局这个 DIY 实验不需要一上来就做复杂 PCB。洞洞板足够使用。关键是先把每个节点的连接顺序搞清楚不要凭印象接线。常见的 LC 整流滤波结构是交流输入先接保险丝再接整流桥整流桥正极输出串联电感电感另一端同时连接电容正极和负载正极整流桥负极、电容负极、负载负极接在一起形成公共地。可以用下面的文字来描述这条路径焊接时对照它逐点确认变压器二次侧1 - FU(0.5A 慢断保险丝) - 整流桥交流输入1 变压器二次侧2 - 整流桥交流输入2 整流桥正极输出P - 电感L一端 电感L另一端 - M点 整流桥负极输出N - G点 C1正极 - M点 C1负极 - G点 负载正极 - M点 负载负极 - G点这里的 M 点是电感之后的滤波输出节点G 点是公共地。初学者最容易犯的错误是整流桥正极先并一个电容再把电感串联到负载一侧。那样做电路逻辑就变了电感不一定参与正常的 LC 滤波滤波效果会很不理想。正确的做法是让电感串在整流桥与滤波输出节点之间滤波电容并联在电感后端的 M 点和 G 点之间。2.2 元件清单要以“耐压、电流、功耗”为准这个实验的输入只有交流 12V但元件不能按“12V”直接选。因为整流滤波后空载电压会接近峰值120V 之类的绝对数值不现实但选型时仍要留出至少 1.5 倍以上余量。元件清单可以这样准备ac_source: description: 220V 转 12V 的低压交流变压器 current: 额定输出电流 0.5A 以上 safety: 优先使用带绝缘外壳和隔离输出的成品变压器 rectifier: type: 一体化整流桥 1A/600V或者 4 只 1N4007 note: 确认“~”交流和“/−”直流输出丝印后再焊接 inductor: type: 工字电感、磁环电感或 EE 型绕线电感 inductance: 10mH 到 100mH current: 额定直流电流不小于最大负载电流 note: 不能只看电感量还要看直流电阻和饱和电流 capacitor: value: 470uF 或 1000uF voltage: 25V 或 35V note: 电解电容有极性正极接 M负极接 G load: value: 100Ω 或 150Ω 功率电阻 power: 至少 5W note: 用于有载测试避免空载电容长时间带电如果手头没有一体整流桥用 4 只 1N4007 也可以。1N4007 的反向耐压和额定电流对这个实验完全够用。但要特别注意分立二极管组成的桥式整流电路焊起来更容易接错每次焊接前先用二极管档确认方向。电感方面推荐先使用成品滤波电感。如果自己做要用足够粗的漆包线绕制不然满载时电感发热会比较明显。对于一个输出 0.15A 到 0.3A 的实验电路建议选择额定电流 0.5A 以上的电感。2.3 输出电压和转折频率要先估算整流电路中有一个很容易误导人的地方交流 12V 经过整流滤波后并不是 12V而是会接近交流峰值并扣掉二极管压降。交流 12V 的峰值约为 12 乘以 1.414约 17V。如果使用桥式整流同一时刻有两个二极管导通按每个二极管压降约 0.7V 估算空载峰值大约为 15V 到 16V。加上变压器内部压降和电感直流电阻带载后可能会降到 13V 到 15V。这是正常的不是电路故障。LC 滤波参数可以先用转折频率公式判断。全波桥式整流后主要纹波频率是 100HzLC 低通网络的转折频率应该明显低于 100Hz至少低 3 到 5 倍才能让纹波得到有效抑制。下面用一个简单 Python 脚本估算 100mH 电感和 470uF 电容的组合import math L 100e-3 # 电感量单位 H C 470e-6 # 电容量单位 F # LC 转折频率用于判断滤波频段 fc 1 / (2 * math.pi * math.sqrt(L * C)) print(fLC 转折频率约 {fc:.2f} Hz) # 负载约 100 欧姆电压按 15V 估算电流约 0.15A I_load 15 / 100 f_ripple 100 # 如果只用电容滤波纹波电压数量级约为 delta_v_c_only I_load / (f_ripple * C) print(f纯电容方案纹波数量级约 {delta_v_c_only:.2f} V)如果只用电容470uF 电容在 0.15A 负载下纹波可能还有 2V 到 4V。加入 100mH 电感后100Hz 纹波会再次被明显衰减输出纹波往往只剩几十到几百毫伏。不过实际测试结果和很多因素有关所以脚本里的数字只能作为参考不能当成标准答案。另外要注意电感的直流电阻。100mH 的电感如果绕线很细直流电阻可能达到几欧姆。负载电流 0.15A 时每 1 欧姆直流电阻大约会产生 0.15V 的压降。如果输出电压太低不要只怀疑整流桥还要看电感是否吞掉了太多电压。3. 洞洞板 DIY焊接顺序和检查点3.1 工具和安全准备实验电路使用的是低压交流但仍然需要强调一次侧安全。如果用的是成品 220V 转 12V 变压器不要自行拆开一次侧绝缘也不要在通电时触碰变压器输入引脚。尽量让变压器固定在工作台角落输出端线径要和负载电流匹配。需要准备的工具包括恒温电烙铁建议使用 30W 到 60W 功率焊锡丝、助焊笔或松香斜口钳、剥线钳、镊子洞洞板一块尺寸选 7x9cm 或更大的都可以万用表最好带二极管档、电容档和 AC/DC 电压档示波器用于观察纹波波形绝缘胶带、热缩管、接线端子。焊接大电感和大电容之前先规划好位置。整流桥靠近输入接线端子电感放在中间滤波电容放在输出端负载电阻通过接线端子连接。这样做隔离较清晰测量时也好下探头。3.2 焊接顺序要配合检查点可以在洞洞板上先插元件不要急着焊。先按照整流桥、电感、电解电容、保险丝、接线端子的顺序摆放。摆放时要注意电解电容正极朝 M 点方向负极朝 G 点方向。推荐焊接顺序是先焊接整流桥焊完后用万用表二极管档检查四个桥臂的单向导通性。再焊接保险丝座和整流桥两端的交流输入线。焊接电感。电感体积较大引脚受力后会晃可以先折弯引脚再焊固定点和走线。焊接电解电容。电容是最后靠近输出端的元件之一