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漣波

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漣波(ripple)為電子學名詞,最常見的定義是指在直流電源上,不希望出現的交流電壓變動量,一般是因為直流電壓是利用交流電壓轉換後產生,其中輸出電壓中的交流成份無法完全消除所造成。

上述的漣波為時域的現象,在一些信號濾波英语filter (signal processing)或是信号处理的領域中,也有頻域下的漣波(多半會稱為波紋,英文也是ripple)。頻域的波紋是指隨著頻率的增加,其插入損失英语Insertion loss週期性變化的情形。此變化不一定絶對是線性週期性的,在此用法時,波紋也是指不希望出現的效果,其存在是因為在綜合考量波紋大小和其他設計參數下,取捨後的結果。

時域下的漣波[编辑]

中心抽頭的全波整流電路,其輸出端的充电电容器就是為了漣波濾波而設置
全波整流電路,在加入濾波電容以前(虛線)及以後(實線)的電壓波形比較

交流電壓轉換直流電壓的電路中,最簡單的作法是只用整流二極體,不加任何濾波電路的整流器,此情形下的漣波電壓會非常大,漣波電壓的最低電壓為零,峰對峰電壓和其峰值電壓相等(右圖波形中,虛線的波形)。因此加入電路來減少漣波,這些電路稱為平滑電路

較常見的作法是在整流器後加上一個濾波電容器,在整流器輸出電壓到達峰值後,電容器放電,由電容器提供能量給負載,其輸出電壓也會下降,直到整流二極體的輸出電壓再次提高,超過電容器電壓為止。整流二極體超過電容器時,電壓是由整流二極體提供給負載,同時幫電容器充電。

若電容器和(負載等效)電阻時間常數(RC)較交流電的週期大很多,可以假設電容器的電壓是線性下降,若濾波電壓遠小於直流電壓,可以再假設整流二極體的導通相角很小,可以假設電容器在整流二極體電壓到峰值後就開始放電,對準確度不會有太大的影響[1]。若考慮上述假設下,漣波電壓的峰對峰值為:[2]

配合全波整流器

配合半波整流器

其中

  • 為漣波電壓的峰對峰值
  • 為電路的電流
  • 為交流電源的頻率
  • 為電容

漣波因數(γ)可定義為漣波電壓的均方根值相對於直流電壓絶對值的比值,一般會用百分比表示。漣波電壓也常用峰對峰值來表示,好處是較容易用示波器量測,理論上也較容易計算。

若考慮漣波的均方根值計算漣波因數,需要針對漣波波形有較複雜的計算,假設漣波波形為锯齿波,其漣波因數可以用下式表示[3]

其中

  • 為漣波因數
  • 為負載的等效電阻

另一種減少漣波的方式是串接電抗器,電抗器也會濾波,產生的波形較平滑,且高階諧波較小[4],在適當近似之後,諧波因數可以用下式表示:

其中

  • 為角頻率
  • 為電抗器的電感

也有更複雜的平滑電路,例如不只用一顆電抗器或是電容器,而用LC電路的平滑電路,目的是設法整合二種不同作法的優點。最常見的是低通Π型濾波器,其中包括一個充電電容、一個串接的電抗器,最後再並聯一個電容器[5]。不過因為成本的考量,現代的設計中較不建議使用電抗器。若需要良好的漣波抑制能力,另一種常見的作法是用電容器來減少漣波,再通過稳压器輸出電壓,稳压器除了穩壓外,也會消除漣波,不過稳压器會有電壓降,因此存在漣波的輸入電壓在減掉電壓降後,仍需大於想要的電壓[6]

一般整流電路的漣波頻率是電源頻率的一倍(半波整流)或二倍(全波整流)。現在電源供應器的主流是开关电源,其漣波頻率和電源頻率無關,和其斩波器的切換頻率有關,一般會比電源頻率高很多,因此濾波電路在設計上比較簡單。


漣波的影響[编辑]

在許多電路中,不希望看到漣波的出現,原因有以下幾點:

  • 漣波頻率及其高次諧波是在音頻範圍內,會被無線電接收器、錄音設備等電子設備接收到。
  • 漣波頻率在類比電視訊號的頻寬內,因此若漣波成份太大時,類比電視會看到一個在移動的波浪線圖案[7]
  • 漣波的存在會降低電子測試及量測儀器的解析度,例如在示波器上就會看到漣波的訊號,而不只是單純的直流量。
  • 在數位電路中,漣波和其他電源上的雜訊一様,會降低閾值,邏輯電路可能會出現不正確的結果,破壞輸出的信號。
  • 大量的漣波電流會降低電解電容器的壽命[8]

頻域下的波紋[编辑]

四阶第一类切比雪夫低通滤波器的频率响应图,低頻時频率响应的變化即為其頻域波紋

頻域下的波紋是指濾波器或是其他雙埠網路,其插入損失英语insertion loss對時間的週期性變化。不是每個濾波器都有波紋,像巴特沃斯滤波器的插入損失就隨頻率单调變化,因此沒有波紋。常見有波紋的濾波器有I型切比雪夫濾波器、II型切比雪夫濾波器及橢圓函數濾波器[9]。另一種有波紋的網路為用切比雪夫多项式設計的阻抗匹配網路,這類網路和濾波器不同,若設計在通带英语passband有最佳傳輸效果,最小損失不會到0 dB[10]

在濾波器設計中,波紋量可以和其他設計參數作取捨,例如在不增加濾波器階數的情形(表示濾波器中的元件數相同)下,若提高通带英语passband阻带英语stopband的转折(roll-off)率,波紋量就會增加。另一方面,若要維持转折率,只要增加濾波器階數就可以減少波紋量[10]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Ryder, pp 107–115
  2. ^ Millman-Halkias, pp 112–114
  3. ^ Ryder, p 113
  4. ^ Ryder, pp 115–117
  5. ^ Ryder pp 117–123
  6. ^ Ryder pp 353–355
  7. ^ Wharton, W & Howorth, D, Principles of Television Reception, p70, Pitman Publishing, 1971
  8. ^ Determining end-of-life, ESR, and lifetime calculations for electrolytic capacitors at higher temperatures 互联网档案馆存檔,存档日期2008-12-01.. EDN. Retrieved on 2013-08-18.
  9. ^ Matthaei et al., pp 85–95
  10. ^ 10.0 10.1 Matthaei et al., pp 120–135

書目[编辑]

  • Ryder, J D, Electronic Fundamentals & Applications, Pitman Publishing, 1970.
  • Millman-Halkias, Integrated Electronics, McGraw-Hill Kogakusha, 1972.
  • Matthaei, Young, Jones, Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures McGraw-Hill 1964.