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2005-05-01, 12:50 AM
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電源電路研析（一）
大多數的電子電路及裝置，都是需要直流電源的供應。不過一般電力公司在輸送到用戶端的能源都是交流電（以台灣地區來說是AC 110V/ 60Hz），要如何將交流電轉換成直流電供應電子設備使用？這就需要電源電路。
在開始之前，我們要先溫習一下基本波形的關係，這裡主要談的是電源，所以只針對正弦波做介紹。有幾個數值之間的關係要記清楚，之後的電源電路會運用到其間的關係換算：分別是峰值（Vm或Vp）、峰對峰值（Vp-p）、有效值（Vrms）及平均值（Vav），其間波形關係如左下圖所示。另外，在台灣地區的市電電源頻率是60Hz，我們接下來的討論都會以這個頻率為基準。   電源電路元件選擇：電子工業早期半導體還沒發達的年代，有專司整流用的真空管，不同用途有各式各樣大小整流管供電路設計人員選擇；目前常見的則多半是整流二極體。兩者在部分場合裡使用技巧其實大同小異，只是某些特性參數上不相同，使用上要特別注意。 在台灣地區，台電公司輸送的家庭用市電是AC 110V，這個數值是以有效值為計量單位。不只是市電，我們一般生活常見交流電壓的標示，指的都是有效值。市電AC 110V的高電壓，也不見得能適合所有電子設備，大部分都是要先透過變壓器降壓或升壓，針對電路需要得到適當的供應電壓。經過變壓器的轉換，其實還是交流電源的形式，還是需要夠過「整流」及「濾波」兩個步驟，才能得到直流電源。整流電路又分有多種技巧，就是我們接下來要討論的主題。 半波整流 即交流輸入電壓僅在正半週或負半週時才有輸出，輸出波形在時間軸（X軸）上只看得見輸入波形的一半。這種整流方式多半使用於負載消耗電流低，或對電源品質要求不高的場合。例如：CD、DVD Player前面版的VFD螢光顯示器，需要DC-24V左右的高壓去驅動，多數廠商的作法就是直接用半波整流濾波加上zener穩壓，節省成本也容易維修。   全波整流 前面介紹的半波整流，電源輸出端只用到單一個半波，另一邊沒有用上，效率畢竟差了一些。為了追求高效率，於是乎有全波整流電路的利用。全波整流電路意即在交流電壓的正負半週之間，均能產生單一方向的電流流過負載，提供兩倍於半波整流電路的能量。全波整流又分為兩種電路型態：一為「中心抽頭全波整流」，另一種為「橋式整流」。我們先針對中心抽頭全波整流來討論。 中心抽頭，是指電路中變壓器的規格，在次級繞線裡從正中央拉出引線，分成完全相等的兩組。電料行中常見的AC 12-0-12V變壓器，其實意義相同於AC 0-12-24V表示，用電表量測變壓器次級間的關係即可輕易辨別。如果有機會用雙軌跡示波器觀察，將GND基準點接在變壓器中間0的位置，CH1接一邊AC 12V，CH2接另一邊AC 12V，這時候在示波器裡看見的應該是大小相同，但是相位剛好相反的訊號。瞭解了變壓器每個接腳間的關係，對中心抽頭全波整流電路的理解應該相當簡單了！   以正電壓全波整流範例： （1）在上面那一組次級繞線正半週的時間，這時候D1是導通的狀態；D2因為處於下半部次級繞線負半週的時間，所以是關閉的。此時輸出波形是一個正半週電壓。 （2）換到上面那一組次級繞線負半週的時間，這時D1是關閉的狀態；輪到下半部次級繞線處於輸出正半週的時間，D2導通。輸出波形依然是一個正半週的電壓。  （3）回到類似step（1）的狀態，輸出還是一個正半週。如此D1、D2輪流穩定工作，輸出都是穩定的正半週，效率較先前介紹的半波整流多了一倍！ 負電壓全波整流的工作狀況與正電壓全波整流雷同，只是二極體連接的方向相反，輸出電壓相反，得到的效果是完全相同的。 在這種整流電路中，需注意二極體的逆向耐壓！以上述電路範例：在D1導通的時候，D2承受的逆向電壓會有本身下半組次級圈的電壓，還要加上上半組次級圈的電壓，所以耐壓至少要兩倍的Vm，否則二極體是會燒毀的。 真空管全波整流 在真空管整流電路中，目前常見的多半是6X4、6X5、5Y3、5U4、5R4一類的整流管，其整流電路結構類似上一段介紹的中心抽頭全波整流電路，只是將兩個類似二極體功能的真空管包含在一支管子中，使用上相當便利。   仔細觀察整流管全波整流後輸出的波形，有沒有覺得怪異之處？跟二極體全波整流後的波形有什麼不一樣？是不是輸出波形的振幅變小了，輸出電壓降低了一些，最大不是維持在Vm的準位！這是因為整流管內部有類似電阻的特性，在導通的時候部分電壓會在整流管內部產生壓降，所以在輸出端量到的電壓會比較低。接上負載之後，會發現負載消耗電流越大，這個壓降也越大。 至於這整流管內部類似等效電阻的大小，還必須查管子的datasheet才能大概得到一個數據，不過真空管的誤差都不小（跟電晶體比起來），就算同一型號，換個廠牌可能也會有些許差別。但是真空管電路的容錯性相當高，只要不是太離譜的錯誤，都還是能工作。如果真的不放心電源電壓的穩定性，也是可以加入高壓穩壓電路解決。 橋式整流 中心抽頭全波整流電路會受限於變壓器規格的限制，橋式整流就是突破變壓器規格限制的一種改良方法。橋式整流器由四枚二極體組成，不需要中心抽頭的變壓器，四枚二極體承受的逆向耐壓只有Vm，皆容易取得合適的元件。   如右上圖所示：在變壓器次級圈輸出為正半週波形時，橋式整流器的D1、D3為順向導通（ON），D2、D4為逆向截止的狀態（OFF），所以這時後在LOAD處可以得到一個正半週的波形；輪到變壓器次級圈輸出為負半週波形，橋式整流器的D2、D4為順向導通（ON），D1、D3為逆向截止的狀態（OFF），在LOAD處一樣是得到一個正半週波形。四枚二極體兩兩一組輪流工作，最後在負載端看見的就是穩定的全波輸出。   OCL擴大機中需要雙電源，用單一枚橋式整流器就可以輕鬆達到需要的功能。如左下圖所示：先不看D2、D3，變壓器與D1、D4形成的穩定輸出正半週的全波整流電路；反之，在D1、D4截止（OFF）的狀態下，變壓器與D2、D3形成的的是負半週的全波整流電路。嚴格來說，這是算中心抽頭全波整流電路的一種，只是以橋式整流器來代換罷了！ 在某些擴大機製造廠商中提到過的雙橋式整流，乍聽之下似乎有些困難度，其實也相當簡單，只是把兩組電源串接疊在一起應用。如右下圖所示：在變壓器的選擇上需要有兩組相等獨立次級繞線，個別整流之後才串接在一起，以中間連接線處為GND點，上下兩邊就可以得到正負雙電源。   真空管整流可以適用於橋式整流嗎？當然也是可行的，不過這樣使用的機會似乎不多。我們在前面真空管全波整流提到過：整流管導通的時候內部會有一個等效電阻。上一段在分析橋式整流時，波形的正負半週導通時都會留過兩枚二極體。意即換成整流管的時候會是一樣的情形！如果負載電流大，在整流管本身的壓降就大，又有兩枚整流管在導通迴路上，使得輸出電壓會更低！最後只得增加變壓器次級圈電壓，而且需要四枚整流管，體積及預算上似乎不怎麼經濟。 瞧瞧網頁中這些波形照片，有沒有發覺全波整流電路跟原來電源變壓器輸出的波形有什麼不一樣？之前的未整流前波形或半波整流後波形，顯示的都是60Hz。不管是二極體或真空管全波整流，在右上這張示波器照片上方顯示的頻率是120Hz，頻率變成原來的兩倍！能量的輸出更為密集，效率更佳。 到這邊，不知道大家是不是對半波、全波整流的概念比較瞭解了呢？下一回，我再介紹複雜一些的倍壓整流及濾波電路。慢工出細活嘛 ^_^|||，請大家耐心等候。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 全文摘自 KECES 電子電路 / 基礎學苑 作者 Korping Chang (2002.09.20) http://www.keces.com.tw/ (希望不要被認為是打廣告) 這是公開的園地，歡迎您一同參與。各個領域的電子電路製作、構想、甘苦談，甚至在學習上的心路歷程，都竭誠的歡迎您與大家共同分享。互相討論研究，才是技藝精進的動力！ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
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2005-05-02, 04:27 AM
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#8 (permalink) | |
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管理員
 
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引用:
這就算是學術了，當我看到此篇時，我想是不是貼錯位置了 . . .  像這類疑似教學文章，應該是在教學區才對阿 必要的話，但請註明，資料來源，或是引用來源，才不會有不必要的困擾。 我不是有惡意喔，而是 . . . 關心喔，以免一時的疏失造成遺憾。 就算 是與不是版主都一樣 . . . 這是應用性文章或是發表性都要做的喔， 除非 100 % 原創，但不可能，大多數的狀況下都會引用、借用他人的著作 ，此時就要註明喔。 就算是自己建立的文件也是一樣，這類電子學的文件，都是從國外進來再 中譯的，可以的話註明，資料來源，或是引用來源是必要的，再攥寫一些 相關的報告或論文時通常都不是要註明資料來源，或是引用來源的嗎？ 除了是尊重原作者外，更可以顯示出編寫此文章的人專業、證明文章的正 確性，以及避免不必要的麻煩。 什麼麻煩呢？ 1.詳細的資料查詢上的問題。 2.萬一有相同文章出現時，真正原作一方要求，賠償時的問題。 3.養成習慣...，對以後寫報告或論文時是一件好事。 |
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2005-05-02, 09:04 AM
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#9 (permalink) |
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長老會員
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精彩十分﹗這是在造福大眾，先行謝謝了。
既清晰又詳盡的整流電路分析，加上半波與全波的輸出輸入的波形大小比較，圖文並茂，相當清楚明白，實用價值很高，在下拜閱後，更是銘感於心﹗ 此篇文章對修習電子學或電工電路的人，很有價值。感謝可愛的小提琴的辛勞與用心找到此一專題研究報導，並期待更多下文的貢獻版友們，再度的向您致上敬意。 一個小小的建議，望您笑納。既是標明轉貼文章，如能再請您貼上網址或出處，當更理想﹗蓋吃水果，拜樹頭﹗當作者在看到他的作品，被轉貼在此時，不管它是國外原文或者是國內的翻譯文章，他絕對會覺得萬分欣慰與感激的。 這可充分激發原創作人的積極性，再接再勵，樂此不疲。就如同在下目前，對您的回應般的道理一樣，除了驚豔之外，內心卻充滿感恩之心。 舉手之勞，何樂而不為﹗ |
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2005-05-02, 09:12 AM
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#10 (permalink) | |
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長老會員
 
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引用:
這的確是篇好文章,對於想要踏進電子學領域的人來說這是基礎! 不過以上大大說得對,這不管有學術性與否,都屬於教學文章,應放在教學區的~~~ 另外貼轉貼出處也是種好的習慣,不止對原作者尊重也是對自己尊重喔~~ 很高興你能認同這論壇,有了認同您才會轉貼分享! 會告訴您的也都是認同論壇中的一份子,大家也都是為了這論壇的秩序才會告訴您這些的,都是好意呀~ 這是個大家庭,所以大家也都有責任維護它,您說對不對呢? 能夠自律每個人就都是版主,不能夠自律再多版主來管都沒有用的,對吧~~ 以上供您參考 |
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2005-05-02, 11:30 PM
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#14 (permalink) |
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管理員
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電源供應器的設計也會進步阿
電源供應器主要有分 RLC 型、交換式 2 種。 這一篇由可愛小提琴版大所轉貼的 電源電路研析 (一) 是屬於 RLC 型，還是電源電路中為基礎中的基礎。 學校那種大多是 RLC 型的電源電路。 RLC 型電源 優點︰ 1.線路設計簡單。 2.使用於小型負載時，電源純度高，電源雜訊低(連波因素低)。 ps.音響的電源大多數都屬此類。 缺點︰ 1.體積大、重量大(有 80% 的重量來自變壓器)。 2.輸出功率越高者，與其體積、重量、成本等成正比。 3.大型負載時電壓變動率(電源變動率)明顯。 4.由於線路簡單亦無複雜的保護迴路，大多僅以保險絲作保護。 5.電功率轉換效率差，耗電。 6.穩壓線路複雜。 7.容易發高熱。 交換式電源 優點︰ 1.電功率轉換效率高，省電。 2.體積小、重量輕。 3.具備高靈敏度的電源輸入/出保護、及工作狀態回授等。 4.大型負載時電壓變動率(電源變動率)低，穩壓效率好。 5.新一代"主動式"電源可以更省電。 6.小型負載時溫度低。 ps.電腦、CD/DVD player 等數位裝置採用。 缺點︰ 1.線路設計複雜。 2.使用時，電源雜訊高(連波因素高)。 3.成本較 RLC 型高。 4.偷工簡料的交換式電源很危險，一但爆機，像是電腦很容易，整台買新的。 5.大型負載時，溫度高。 |
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2005-05-02, 11:33 PM
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#15 (permalink) | |
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引用:
簡答: 學校的電源供應器會大又重是因為裡面的變壓器是直接吃市電60HZ的電源,這種低週波數的變壓器大都很重又大體積,原因跟材料特性有關在此先不詳述,至於電源供應器會那麼小台是因為他週波數是很高的,一般為數十 Khz 到 數百Khz,在高頻時操作時,要求相同的電感值下變壓器(或電感)可以縮小體積與材料的使用,也因為變壓器縮小,在同樣空間下可容納更多組不同設計的變壓器來提供不同規格的輸出電壓或電流  |
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