4.電源電路

    所有的電子設備均需直流電源之供給,才能發揮其工作效果。所使用之電源可由乾電池或蓄電池來供給。但使用乾電池時必須時常更換,很不經濟。使用蓄電池時則必須常常充電,非常麻煩。而比較經濟的方法是將電力公司供應的60Hz交流電源經過升壓或降壓後,再加以整流,濾波變為直流電來供應電路所需之直流電源。

4-1整流電路

      把交流電變為直流電的過程稱為整流。作為整流之作用的元件稱為整流器。二極體即為常用的整流器。

      1. 半波整流電路
      2. 交流電是雙向流通的電流,而直流電流是單向流通的電流,因為二極體具有單向導電的特性,所以可作為整流之用。如圖4-1所示為半波整流電路,圖中之變壓器是降壓變壓器,把120V的交流電壓降為12V。假如沒有接上二極体,則加在RL上的電壓為12V的交流電壓。而接上二極体後,當輸入交流為正半週時,二次線圈的上端為正,下端為負,二極体為順向偏壓,容許電流流通,於是在RL上產生壓降,其極性如圖所示。當輸入交流為負半週時,即二次線圈的上端為負,下端為正,則二極体為逆向偏壓。除了極小的漏電電流外,幾乎沒有電流流通。所以RL上沒有電壓降產生。其輸出電壓為零。這種整流方式,只有半週電流通過負載電阻,另半週則沒有電流流通,其電壓為零,所以稱為半波整流。

        假如把二極體反接,如圖4-2所示之接法,則只有負半週電流會流通,正半週時,全部壓降均落在二極體上,所以其輸出電壓的極性就與圖4-1之電路相反了。

        如圖4-3所示為半波整流之輸出電壓波形,其中(a)為交流電壓波形;(b)為圖4-1電路之輸出電壓波形;(c)為圖4-2電路之輸出電壓波形。這種半波整流電路的輸出為單向性電流,是隨著週期的交變而發生,所以又稱為脈動直流

        如圖4-4所示,為純直流波形與脈動直流波形的比較。當接上電表測試時,對純直流可以指示一個穩定值,但對脈動直流而言,理論上指針應該是搖擺不定的,但一般交流電源頻率為60Hz,指針之反應速度沒有那麼快,所以指針也是停留在定值位置,該定值位置即為其波

        形的平均值。因此Vdc=Vav,設正弦波的峰值電壓為Vp,有效值為Vrms,則Vdc=Vav=0.637Vp

        Vrms=0.707Vp。所以半波整流的輸出電壓與交流電壓之有效值間關係如下:

        ……………….(公式4-1)

        漣波電壓(ripple voltage)是指脈動直流電壓漣波部份的有效值,在正弦波半波整流電路中,其值Vr=0.546Vrms 。而漣波電壓與直流電壓的比值為漣波因數(ripple factor),以r表示之,即 ……………..(公式4-2)

        半波整流電路的漣波因數較大,以正弦波而言,其值高達1.213正弦波而言,其值高達1.213。因此,整流效率比較低,但因其電路結構簡單,在小功率電路中,仍被應用。

        半波整流電路中的二極體,有兩個工作最大額定值,即最大順向電流Imax 以及最大峰值逆向電壓PIV。工作電流或電壓若超過這兩個最大值,二極体將有破壞之虞。

        [4-1]:圖4-5為電壓比10:1的降壓變壓器,作為半波整流電路,求直流電壓表的指示值。

        []

         

         

      3. 全波整流電路

      全波整流電路,係使用一只二次線圈有中心抽頭的變壓器,和兩個二極体而組成的。中心抽頭到另兩個端點的電壓是相等的。如圖4-6所示,(a)圖為其輸入電壓波形,電路圖及輸出電壓波形。因其正負半週均供應能量給負載,所以其供應之能量為半波整流之兩倍,且輸出電流的漣波比較小,故可提高整流效率。

      當輸入電壓為正半週時,如圖4-6(b)所示,D1為順向偏壓,電流可從D1流出通過負載電阻RL而回到中心抽頭,但D2為逆向偏壓,相當於開路狀態,沒有電流流通。

      當輸入電壓為負半週時,如圖4-6(c)所示,D1為逆向偏壓,電流不能流通,而D2為順向偏壓,電流可由D2流出,通過負載回到中心抽頭。其在RL上產生的電壓降之極性與正半週時相同,即表示通過RL之電流均為同一方向。

      如圖4-7所示之電路,將兩個二極体反接,則通負載電阻的電流就反向了,於是產生的電壓降,其極性也相反,而成為負極性的脈動直流。

      上述之全波整流電路有一點不方便的地方,那就是變壓器必須有中心抽頭。若改為如圖4-8(a)所示電路稱為橋式整流,不需要中心抽頭,甚至於不需要變壓器,就可作完全的全波整流工作。此電路只需使用4只二極体。

      如圖4-8(b)所示電路,為輸入交流正半週時,電流由D1通過負載而後從D2回到電源負端。當輸入交流負半週時,如圖4-8(c)所示,電流由D4通過負載,再從D3回到電源端。不管輸入交流電源為正半週或負半週,電流均由負載的右端進入,而從左端流出。也就是說,其輸出為全波的脈動直流。

      全波整流電路,正負半週均電流通過負載,所以其輸出電壓的平均值為半波整流之兩倍。即

      ………..(公式4-3)

      半波整流和全波整流的直流電壓值比較如圖4-9所示。

      [4-2]:如圖4-10所示全波整流電路,求(a)輸出直流電壓為多少?(b)假使有一只二極体開路,其輸出直流電壓為多少?

      []

      [4-3]如圖4-11所示橋式整流電路,求其輸出直流電壓值。

      []

       

       

      橋式整流二極体之PIV與半波整流時一樣,而中心抽頭全波整流二極体不導電時之PIV為半波整流時之兩倍。

4-2濾波電路

      不論半波整流或全波整流,其整流後的電壓均不是非常平穩的直流電壓,而是帶有漣波的脈動直流電壓。這種電壓,不能直接供應大部份電子電路之應用。大部份電子電路所需的電源是像電池所供應的純直流電壓。因此,在整流電路之後,應設法除去漣波部份,消除漣波成份的電路,就稱為濾波電路。

      最簡單的濾波電路是電容器濾波電路。如圖4-12所示,為全波整流後以電容濾波的電路及其波形。電容器是一種能儲存能量的元件,它先被充電到峰值電壓,輸入電壓下降時,電容器便供應電流給負載,下個脈波來時,電容器又被充電到峰值電壓,如此週而復始地,使輸出電壓的漣波部份大量被削減。如圖4-13所示,T1時間內全波整流電路之二極体導電,並對電容器充電至峰值電壓VPT2時間內,整流電壓下降而低於峰值電壓,此時電容器經負載電阻放電。

      電容器放電曲線斜率,是依RC值的大小而定的。RC值愈大,其放電速度慢,則曲線愈平穩,因而輸出電壓稍微降低時,就又被充電上去了,所以可產生較平穩的直流電壓,達到濾波的效果。但如負載較大,即RC值較小時,放電速度快,則漣波電壓也變大,增加濾波電容容量,可得較佳的濾波工作。但電容器的容量會影響通過整流二極体的峰值電流,使用大容量的電容器,通過整流二極体的峰值電流也愈大,所以不能一味地以增大電容量來改善濾波的效果,而可用RC濾波電器或π型濾波器以改善之。

      1. RC濾波器
      2. 整流器輸出端如改為圖4-14所示的RC濾波電路,可獲得更平穩的輸出波形。由前面分析得知,C1上的電壓含有一些漣波成份。此含有漣波成份的電壓再經RC2所濾波,在C2上的輸出電壓較C1上的電壓含有較小的漣波,故可改善濾波效果。負載電流是經由R而獲得,故負載上直流電壓由於R的壓降,必較C1上電壓為低,負載電流愈大時,此電位差愈大。
2. π型濾波器

      RC濾波器中,欲衰減輸出的漣波電壓,應採用較大的串聯電阻,但較大的串聯電阻欲造成C2上的電壓與C1上電壓較大的差額。而如要達到低漣波電壓與高直流輸出電壓時,則必須將電路改為如圖4-15所示的π型濾波電路,或圖4-16所示的雙電感π型濾波器。因電感對直流壓降很小,幾乎可以省略,而對交流的漣波電壓阻抗很大。

4-3 倍壓電路

      將電容濾波電路加以修改,可以使無載輸出電壓為輸入峰值電壓的整數倍。這種電路稱為倍壓電路。

      如圖4-17(a)所示為全波倍壓電路,如圖4-17(b)所示,C1將經由D1充電,充至交流峰值電壓VP。極性如圖所示。負半週時,如圖4-17(c)所示,C2將經由D2充電,電壓亦被充至交流峰值電壓VP。極性如圖所示。因C1C2是串聯的,故如把負載接在如圖4-17(d)所示位置,則其端電壓即為2VP。即輸出電壓為VP之兩倍。

       

      另有一種半波倍壓電路,如圖4-18(a)所示。負半週時,如圖4-18(b)所示,D1順向偏壓,所以C1被充電至輸入交流之峰值電壓VP。正半週時,D1不導電,D2導電並對C2充電,其極性如圖4-18(c)所示,由圖中可以看出C2相當於跨接C1與電源串聯之兩端點,故C2之充電電壓為電源電壓極大值與C1之電壓的和,即C2的充電電壓為VP的兩倍。在另一負半週,D2不導電,C2經負載放電。如果無負載連在C2上,則C1C2之充電電壓均維持在VP2VP。如果有負載電阻接在C2兩端時,輸入負半週時C2之電壓會下降,在正半週時再充電至2VP

       

      4-19為三倍壓與四倍電路,依次增加二極体及電容器,可擴展成五倍壓、六倍壓………等等。

4-4 穩壓電路

      在電子系統中,不管是計算機、儀表或視聽器材,無論系統的大小,一部理想的直流電源供應器(DC power supply),它是不可或缺的。通常電源供應至少應包括:交流電源、變壓器、濾波電路與穩壓電路,除了最後一項穩壓電路,前幾部份在前面的章節已探討過,本章專就穩壓電路加以分析探討,並舉一些實際的電路作為說明。

      1. 穩壓基本觀念
      2. 穩壓器又稱為調節器,它的功用是要電源供應器的輸出直流準位保持定值,通常一個電源供應器的輸出會不穩定是因為:1.供應電源的市電不穩定所致。2.供應器本身內阻的存在,造成輸出隨負載變化而改變。

        雖然要求一部完全定值輸出的電源是不可能的,但是使用穩壓器可使它更趨完善,亦即輸出的變化儘可能地減少。

        至於電源供應器好壞,我們必須要定義一個標準來衡量它,這就是所謂的電壓調整率,以此來代表。

        …………..(公式4-4)

        4-20VO是穩壓器在無載時輸出電壓,RO是它的輸出阻抗,由圖中可知,由於有RO存在,當IL愈大時,RO壓降愈大,VOVL的差值愈大,因此RO值若為零時,不管負載如何變化,VO永遠等於VL。圖中VO-VL=ILROVL=ILRL,因此由公式(4-4)知:

         

        ………….(公式4-5)

      3. 穩壓電路
        1. 稽納穩壓電路

    4-21是一基本的穩壓器,它利用稽納二極体作為穩壓,基本上電源電壓VR的選擇,需使稽納二極体 Dz工作在崩潰區,因Dz在崩潰區,雖然其電流變化很大,電壓變化卻很小。R是一保護電阻,它具有限電流的作用,當V直接跨Dz上,而V大於Vz時,Dz將可能被燒燬,或者若RL太小時,IL會增大,而VL=V-ILRVL將會降至比Vz低,而Dz將會不發生作用。

    基本上在設計電路時,應注意兩點:

  1. 需使稽納二極体工作在工作區,亦即V要大於Vz與最大負載時,仍有Iz電流。
  2. 注意稽納二極体 Dz的最大承受功率。

[4-4] 如圖4-22所示電路,欲使Iz=6mA,則R值應為若干?提示:應用IR=Iz+IL

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IR=Iz+IL=