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。

        [例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。

        [解]：

        　

        　
      2. 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。

      [例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？

      [解]：

      [例4-3]：如圖4-11所示橋式整流電路，求其輸出直流電壓值。

      [解]：

      　

      　

      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VP。T2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R，C2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

      在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C1與C2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C1及C2之充電電壓均維持在VP與2VP。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。

      　

      圖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)

        圖4-20，VO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，VO與VL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=ILRO，VL=ILRL，因此由公式(4-4)知：

        　

        ………….(公式4-5)

      2. 穩壓電路
        1. 稽納穩壓電路

    圖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V與R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-ILR ，VL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。

[例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

[解]：

IR=Iz+IL=