纹波

✍ dations ◷ 2025-07-20 20:10:05 #电学,滤波器理论

纹波(ripple)为电子学名词,最常见的定义是指在直流电源上,不希望出现的交流电压变动量,一般是因为直流电压是利用交流电压转换后产生,其中输出电压中的交流成分无法完全消除所造成。

上述的纹波为时域的现象,在一些信号滤波(英语:filter (signal processing))或是信号处理的领域中,也有频域下的纹波(多半会称为波纹,英文也是ripple)。频域的波纹是指随着频率的增加,其插入损失周期性变化的情形。此变化不一定绝对是线性周期性的,在此用法时,波纹也是指不希望出现的效果,其存在是因为在综合考量波纹大小和其他设计参数下,取舍后的结果。

交流电压转换直流电压的电路中,最简单的作法是只用整流二极管,不加任何滤波电路的整流器,此情形下的纹波电压会非常大,纹波电压的最低电压为零,峰对峰电压和其峰值电压相等(右图波形中,虚线的波形)。因此加入电路来减少纹波,这些电路称为平滑电路。

较常见的作法是在整流器后加上一个滤波电容器,在整流器输出电压到达峰值后,电容器放电,由电容器提供能量给负载,其输出电压也会下降,直到整流二极管的输出电压再次提高,超过电容器电压为止。整流二极管超过电容器时,电压是由整流二极管提供给负载,同时帮电容器充电。

若电容器和(负载等效)电阻的时间常数(RC)较交流电的周期大很多,可以假设电容器的电压是线性下降,若滤波电压远小于直流电压,可以再假设整流二极管的导通相角很小,可以假设电容器在整流二极管电压到峰值后就开始放电,对准确度不会有太大的影响。若考虑上述假设下,纹波电压的峰对峰值为:

配合全波整流器:

配合半波整流器:

其中

纹波因数()可定义为纹波电压的均方根值相对于直流电压绝对值的比值,一般会用百分比表示。纹波电压也常用峰对峰值来表示,好处是较容易用示波器量测,理论上也较容易计算。

若考虑纹波的均方根值计算纹波因数,需要针对纹波波形有较复杂的计算,假设纹波波形为锯齿波,其纹波因数可以用下式表示:

其中

另一种减少纹波的方式是串接电抗器,电抗器也会滤波,产生的波形较平滑,且高阶谐波较小,在适当近似之后,谐波因数可以用下式表示:

其中

也有更复杂的平滑电路,例如不只用一颗电抗器或是电容器,而用LC电路的平滑电路,目的是设法整合二种不同作法的优点。最常见的是低通Π型滤波器,其中包括一个充电电容、一个串接的电抗器,最后再并联一个电容器。不过因为成本的考量,现代的设计中较不建议使用电抗器。若需要良好的纹波抑制能力,另一种常见的作法是用电容器来减少纹波,再通过稳压器输出电压,稳压器除了稳压外,也会消除纹波,不过稳压器会有电压降,因此存在纹波的输入电压在减掉电压降后,仍需大于想要的电压。

一般整流电路的纹波频率是电源频率的一倍(半波整流)或二倍(全波整流)。现在电源供应器的主流是开关电源,其纹波频率和电源频率无关,和其斩波器的切换频率有关,一般会比电源频率高很多,因此滤波电路在设计上比较简单。


在许多电路中,不希望看到纹波的出现,原因有以下几点:

频域下的波纹是指滤波器或是其他双埠网络,其插入损失对时间的周期性变化。不是每个滤波器都有波纹,像巴特沃斯滤波器的插入损失就随频率单调变化,因此没有波纹。常见有波纹的滤波器有I型切比雪夫滤波器、II型切比雪夫滤波器及椭圆函数滤波器。另一种有波纹的网络为用切比雪夫多项式设计的阻抗匹配网络,这类网络和滤波器不同,若设计在通带(英语:passband)有最佳传输效果,最小损失不会到0 dB。

在滤波器设计中,波纹量可以和其他设计参数作取舍,例如在不增加滤波器阶数的情形(表示滤波器中的元件数相同)下,若提高通带(英语:passband)到阻带(英语:stopband)的转折(roll-off)率,波纹量就会增加。另一方面,若要维持转折率,只要增加滤波器阶数就可以减少波纹量。

相关

  • 兰德施泰纳卡尔·兰德施泰纳(德语:Karl Landsteiner,1868年6月14日-1943年6月26日),美国籍奥地利细菌学家。1900年他发现了人类的ABO血型系统,为此他于1930年获得诺贝尔生理学或医学奖。1937
  • BBC体育BBC体育(BBC Sport)是英国广播公司的体育节目制作部门。自2006年9月开始,BBC体育开始播出高清电视节目。除了体育节目的直播之外,BBC体育也制作各种体育新闻类的节目。BBC拥有温
  • 慈禧孝钦显皇后(满语:ᡥᡳᠶᠣᠣᡧᡠᠩᡤᠠ ᡤᡳᠩᡤᡠᠵᡳ ᡳᠯᡝᡨᡠ ᡥᡡᠸᠠᠩᡥᡝᠣ,穆麟德:hiyoošungga gingguji iletu hūwangheo,太清:hiyouxungga gingguji iletu hvwanghe
  • 稀树草原疏林莽原或译稀树莽原、稀树草原(Taíno阿拉瓦克语:sabana),分布于热带地区的又称热带莽原,主要分布于非洲、巴西和澳大利亚的部分地区,草类高大茂密,稀疏的林木散布其间。高温而有
  • 孔隙率孔隙率(英语:Porosity)或孔隙分数是表征材料的孔隙部分的物理量,定义为孔隙的体积与材料总体积的比率,所以总是在0到1之间,用百分数表示,为0到100%之间。由于开孔或与开孔连通的孔
  • 8.3文件名8.3文件名是一种限制对文件名称的长度的方法,这在DOS和Microsoft Windows的Windows 95及Windows NT 3.5以前的版本中,在FAT文件系统中的常用方法。在以前的CP/M及某些的通用数
  • 西格瓦尔德亲王 (乌普兰公爵)西格瓦尔德·奥斯卡·弗雷德里克·贝尔纳多特(Prins Sigvard Bernadotte,1907年6月7日-2002年2月4日),是瑞典王子、乌普兰公爵,瑞典国王古斯塔夫六世·阿道夫的次子,1934年娶平民Er
  • 羊权羊权(?-?),字道舆,泰山郡南城县(今山东省新泰市)人,西晋侍中羊忱之子,东晋官员。羊权的伯父羊秉任抚军参军,有很好的名声,虚龄三十二岁时就去世。夏侯湛给羊秉作传,对他极力赞颂和哀悼。羊
  • 自适应可伸缩纹理压缩自适应可伸缩纹理压缩(Adaptive Scalable Texture Compression,ASTC)是一种基于像素块的有损纹理压缩算法,由ARM的Jørn Nystad及其他人员共同设计。关于ASTC的估计细节是在2
  • 马内侍马内侍,又称中宫内侍,生没年不详,日本平安时代中期的女性和歌歌人。中古三十六歌仙之一,也列入女房三十六歌仙。她是源能有的玄孙,源时明养女,生父是时明兄长源致明。她先在出仕于