直流电源纹波分析

mzsrz

传统整流滤波电源使用范围很广，特别是对于DIY者更是经常接触。所以一直想通过手中的仪器，发表一篇关于传统整流滤波电源纹波分析的相关文章，一来也算是丰富一下论坛在这方面的实测经验，二来也想让更多的人正确认识电源这方面的实践知识。此文将通过直观的测量图给大家展示电源内部的奥秘，也以此告诉大家，电源并不神秘，以前一些人并小电容、加大容量、增加线路的电源抑制能力都是有依据的。也借此把干涩的理论转变成实物试验过程让更多人直观了解。当然我也感到个人能力有限，如有不妥之处，还望指正。
在没有测试试验前先让你们看看我身边的220V50HZ市电的波形和电压情况。看下图：
下图为测试市电电压约238V真有效值，测试中这个数值有小幅正常波动：

为了能让示波器满屏显示，因为我这台示波器最高是每格5V，8格也就是40V的峰峰值电压，所以无法直接用。因此通过电阻降压形试来看波形，采用共蓝测火的连接方式。从图形可以看到，原本应该圆滑的波形，由于谐波成份较高，变得生硬了，说明电网干扰还是比较大的，而且从生硬线条边缘来看，是以奇次谐波为主的，后面实测情况也证实了这一点。见下图波形：

放大一点来看：

对比正确波形，用仿真软件实现，理想波形边缘圆滑。见下图

下面介绍一下测试对象。
试验用了一个E形16V交流输出的变压器，加桥式整流，再加一个5400uF的电解电容。

测试线路连接如下图：

下图为输出电压测量，测得交流16.8V。

由于变压器输出的交流电压峰峰值刚好超过了40V，所以使用了示波器探头X10档衰减，见下图测量：


测得波形跟市电波形差不多，依然带有大量谐波成份。
接下来实测一下这个波形的谐波组成成份。见下图：


为了看得更清楚，把每格分辨率调到25HZ



从上图可清晰看出，交流成分是以50HZ基频及其奇次谐波为主，一直往上延伸超过11次谐波(550HZ)以上，跟上面的分析波形生硬是以奇次谐波为主的看法一致。
实测波形失真率为2.68%（10KHZ低通滤波），见下图测试：

接下来再看看接上桥式整流但没有接滤波电容时的输出波形：
下图是没接负载时的波形

看上去跟交流差不多，二极管并没有导通，而应该是二极管结电容耦合过来的信号。
接上一个5K电阻做负载，这时测得交流成份近23V峰峰值，主频率为100HZ，看波形如下图：

下面是在相同条件下仿真得到的图，跟测量得到的结果一致。

再来测试一下这个波形主要的频率成分是什么：







从上图看出，主要是以100HZ基频及其谐波组成，说明二极管开始产生导通作用，谐波是奇偶次并存。不过依然可以看到小量50HZ基频及其谐波。

下面开始接上电容测量
下图是接上电容后的空载电压22.7V：

下图是空载下的纹波电压0.2MV：

实测一下空载时的纹波图形

再打出纹波频谱来分析一下：

从上图我们可以看到测量时纹波很小，那仅有的很小纹波是以50HZ基频及其奇次谐波组成。说明这部分的纹波是引线感应到了变压器的漏磁干扰。而二极管几乎没有导通过程，所以也没看到100HZ基频及其谐波。因为此时几乎为空载。
接上93mA负载：

负载下的电压21.7V：

下图是负载下的纹波电压30MV，电容储能和滤波作用显现出来，把二极管导通过程中产生的波形滤除掉了很大一部份，以达到平滑直流的目的。我们上面没接电容时有近23V的峰峰值交流成份。

再来测一下负载时的纹波图形：

下图是仿真出来的图，看来纹波波形没错。

测一下纹波频谱：

从上图可以看出纹波构成情况是：主要是由桥式整流产生的100HZ基频及其谐波组成，并带有50HZ基频及谐波叠加而成的复合体波形。
为了更好的了解当音频设备在播放音乐时会不会对电源纹波造成影响，我特意在我的功放中播放一个80HZ的低频，在功放电源纹波中同样测得有80HZ的频率成份，见下图：

这说明电源因引线内阻的存在，不可避免的会产生一个与信号相同相位相反的频率在电源纹波上，如何处理好这个问题，留给我们的思考很多。

小结：市电交流电源并非我们想象中的只有单一的50HZ或60HZ频率，而是以50HZ或60HZ频率为主并带有大量谐波成分的多频率复合体，并且谐波成分以奇次为主。采用桥式整流方式产生的纹波以100HZ基频及谐波组成。同时我们也发现在带载条件下滤波电容并没能完全把这些纹波滤除，而且负载越重，纹波残留就越多，并不是我们通常想象当中加入滤波后就能把纹波去除掉，电容的滤波效果与容量和负载成正比。音响系统中的直流电源纹波中还夹杂着与音乐同频率的信号，同样必需引起我们的注意。如何才能尽可能避免这些纹波串入到音频线路，就现阶段而言，有两大方向。一方面是通过硬件来降低纹波，比如增大电容容量，用LC或RC等等手段。另一方面是通过电路设计来抑制电源纹波串入，例如使用恒流源，提高电路电源抑制比，增设稳压电路等。显然，后者的成本要更小。

发此文的目的只在于了解电源纹波相关基础知识，希望通过测试了解，给大家一个直观印象，并不是深入分析如何降低纹波，只是一个了解基础问题的测试。通过这样的了解，为日后DIY提供相关的技术储备，必能更好的获得想要的效果，避免不必要的玄学理论产生。当然我前面分析的内容并不是真理，还有待进一步验证，但所测得的波形却是实实在在的，有这方面技术的人可再以加以深入分析。（完）
注：由以发帖时间急，故重新作了编辑整理，并对有些因我个人原因没交代情楚或有错的地方加以说明并改正.

卡西利亚斯

HP3582 好像是25KHZ（MAX）的吧，LZ专门买了玩HIFI？

mzsrz

HP3582 好像是25KHZ（MAX）的吧，LZ专门买了玩HIFI？
卡西利亚斯 发表于 2011-2-25 17:40

    是的

卡西利亚斯

不是有个电路，用4只整流管减掉直流的么？

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东方失败

这个要顶！

hkclz

如果用AC-AC会有什么改善吗！

lszyc

技术帖，一定要顶！

lrx1979

此贴应该加分！对DIY确实有帮助！

dingjiali

楼主你的示波器加过隔离变压器吗？

卖油翁

技术帖，一定要顶！ 建议加精!

hillking

最好测试一下各自整流滤波的情况。。。

michealhu

其实更关心的是如何消除纹波影响

luobu83

要顶！一定要顶

jam888kt7

顶帖，楼下的说说楼主各个仪器的作用，谢谢～～

roadking

楼主费心啦，哈哈，学到了不少。不知道你的频谱仪是测得哪里？直接把整流后的正极接到频谱仪了？单位有安捷伦的E4440a，26G的带宽，也想测下看看。

chinamo

如果论坛有朋友可以发布下交流电升频的电路就更好啦，如JIDAS的机器内部的交流电升频的电路，可以非常好的隔离交流杂波。

mzsrz

再加一只5400U电容上去看看什么情况，，，
YAAF 发表于 2011-2-25 19:47

再加10个电容也不会如你所说增加频率，电容只是储能和滤波作用，把二极管的导通频率滤除，实现直流的目的，怎么可能加越多电容频率就越高呢？

mzsrz

楼主你的示波器加过隔离变压器吗？
dingjiali 发表于 2011-2-25 19:52

没有，我选用共蓝测火线的方法。

mzsrz

楼主费心啦，哈哈，学到了不少。不知道你的频谱仪是测得哪里？直接把整流后的正极接到频谱仪了？单位有安捷 ...
roadking 发表于 2011-2-25 21:16

是直接接到正极。

TDA-7294

把示波器插头地脚拔了，想怎么测怎么测