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作者:周致偉、馬鴻祥(2003-10-22);推薦:徐業良(2003-10-21)

整流二極體與濾波電容器的原理與應用

大部分的電子設備如電視機、音響、電腦等,其內部元件所使用的電源均為直流電,除了較為輕便簡單的電子設備採用乾電池作電源外,大都必須有電源供應器或是將交流電經由整流與濾波轉換成各種不同的穩定直流電壓,以供電子設備使用。本文件即針對整流二極體與濾波電容器的原理做介紹,並敘述整流器之實際製作。

1.   整流器簡介

整流器(rectifier)應用二極體將交流電轉換為直流電。依整流器導通的情形,可分類為半波(half-wave)整流與全波(full-wave)整流,前者只有正或負的訊號可以通過,後者則無論正負都可通過,但正、負訊號其中有一者將會以反相形式通過,如圖1所示。

(a) 輸入整流器波形

(b) 半波整流器輸出波形

(c) 全波整流器輸出波形

1. 半波整流與全波整流

半波整流器主要是由一個變壓器和一個單向導通的二極體(Diode)構成,其中變壓器用來改變交流電壓的大小,而二極體則可被視為開關(switch),當二極體加上順向偏壓時,允許電流通過,猶如開關被閉合(ON);相反地,當二極體被加上逆向電壓時,不允許電流通過,猶如開關被打開(OFF)。因此交流訊號只有一半的週期可以通過二極體,另外一半週期則二極體不導通,如圖2所示,其中輸出圖形為輸出之正負訊號的合成圖。

2. 半波整流器正負週期導通情形與輸出圖形

半波整流器有半週期是不導通的,而全波整流器是利用另一路徑將不導通的半週期也導通。一般最常用的是橋式整流電路,如圖3所示,該電路使用了四個二極體,在正週期時,D1D2導通,D3D4不導通,負週期時則相反;V0為電壓輸出端,由於通過V0之電阻其電流方向相同,故輸出電壓保持相同符號。

3. 全波整流器與輸出波形

2.   加上濾波電容器之整流電路

無論半波或全波整流,雖然輸出電壓是直流的形式,但並非良好的直流,而是週期性的「脈動直流」,其脈動成份稱為「漣波(ripple)」。多數電子元件都不希望在有脈動的工作電壓下運作,因此我們必須設法減小輸出之脈動,以供應平穩之直流電壓。

4為一簡易之加上濾波電容器半波整流電路,當通電時Vin不但通過二極體D,同時亦對電容器C(capacitor)充電,當電容器充電至最大值Em,電壓開始下降,並對負載RL放電,負載RL之電能由電容器C供給,並一直循環到下個週期,如圖5所示之作動流程。

4. 有濾波電容器之半波整流電路

5. 電容充電流程

電容器之容量越大,所能儲存之電荷越多,放電時電壓下降較小;反之,選擇較小的電容器,則電壓下降的較多,如圖6所示,電容的選用對輸出波形有很大的影響,因此電容器在濾波效果上扮演重要的角色。

6. 電容器選擇對波形影響

到底多大的電容器才適合呢?我們還必須考慮負載可容許的電流。根據電路電子學的電路公式,我們可知道電容器所儲存的電荷Q與兩端電壓DV、電容器大小C有關,亦即

                                                                                                    (1)

特別注意的是DV為漣波電壓之波峰、波谷電壓差值。

又直流電流IDC與電荷Q的關係式為

                                                                                                     (2)

其中,T為對電容充電時間,亦為漣波週期。

由式(1)(2)可得

                                                                                                        (3)

由式(3)即可根據設計的需求與負載電流的限制,來選擇適當容量之電容器。

3.   實際應用

一般電源在經過上述的整流與濾波之後,就能呈現出穩定的波形,並做為電源供應之用,市售的變壓器大抵皆是以此方式製作而成。整流之後的電壓值通常會比原先為高,就如同市售的變壓器,輸出電壓皆大於其所標示,因此若要做較為精密設備之電源供應,則需再後段再接上一穩壓調節裝置,使輸出電壓能成為一定值,如此便可得到一穩定又精確的直流電壓。

接下來實際應用上述所提到的整流與濾波電路,自製一「穩壓直流電源供應器」。製作過程與每一步驟之電壓輸出圖形如圖7所示,分項介紹如下:

(1) 根據實際需求選擇適當之變壓器,將110V交流電源予以降壓。

(2) 利用橋式整流器進行全波整流,將交流電壓變為直流電壓。

(3) 選擇適當大小之電容器進行濾波。

(4) 以穩壓IC將輸入的電壓調整為所需的精確電壓。

7. 電源供應器之方塊圖與每一步驟所輸出的電壓圖形

上述製作過程之電路如圖8所示。我們自製之「穩壓直流電源供應器」使用了三個變壓器,分別為9V15V24V,可供應五組常用之穩定直流電壓,分別為5V9V12V15V24V。其中9V變壓器供5V9V之用,15V變壓器供12V15V之用,24V變壓器供24V之用。五組電壓配置方式如圖9所示,製作完成之實際電路配置如圖10所示。

8. 電源供應器電路圖

9. 電源配置方式

10. 實際電路配置圖

將製作完成之電路加以整理,置入盒內,並加上一電源開關,即為一自製之「穩壓直流電源供應器」,可用來作為實驗設計初期測試之用,如圖11所示。以示波器觀察此電源供應器之輸出,為一穩定直流電壓,如圖12所示。

11. 穩壓直流電源供應器完成圖

12. 示波器所顯示之電壓輸出圖形

Reference

蔡朝洋編著,電子學實驗,全華科技,2002