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基础知识之电源供应
基礎知識之
電源供應器
1.二極體(Diode)
首先,二極體的電路符號是:
它的V-I曲線如下:
您可以很明顯的看到這個V-I曲線與電阻的V-I曲線完全不同.(電阻的V-I曲線是一條直線,也就是V=IxR這個電位差與通過電流的關係.)因為這個V-I關係不是直線,二極體是非常重要的"非線性"被動元件(non-linearpassivedevice).
接下來讓我們來分析一下這個V-I關係圖.
1.通過二極體的電流是10mA時,二極體兩端電位差大約是0.5V.更準確的說,應該是通過二極體的電流大約是10mA時,兩端電位差是+0.5V.這個正號的意義是說這個二極體的陽極(anode)電位比陰極(cathode)高.在電子學中,"二極體的陽極電位比陰極高"這個現象稱為"順向壓降"(forwardvoltagedrop).如果再看一下二極體的電路符號,您應該可以知道"順向"這兩個字的意義.二極體的電路符號的"箭頭"方向標示電流流動的方向.而當這個二極體處於順向偏壓(forwardbiased)時,電流依照這個箭頭的方向流動,而且陽極電位比陰極高約0.5伏特(因為順向壓降).
2.如果二極體的陽極電位比陰極低的時候,又會有什麼現象發生呢?
按照V-I圖的標示,二極體兩端電位差是-50V時,由陰極流向陽極的電流只有大約1微安培(micro-amp,A).小到可以忽略的地步.也就是說,如果這個二極體處於"逆向偏壓"(reversebiased)的狀態時,將不會有電流由陰極流向陽極.您有沒有注意到:
接近負100伏特時,這個二極體將會有大量的電流由陰極流向陽極!
如果您真的看到這個現象,那麼只好請您買個新的二極體了!
或是說這個二極體的崩潰電壓是100伏特,崩潰電壓就是一般所說的"耐壓".例如:
1N4007這個二極體是一個"1000V,1A"二極體,意思是這個二極體的崩潰電壓是1000伏特,能通過最大電流是1安培.
在進入下一個主題之前,總結一下二極體的特性:
二極體利用順向偏壓工作,順向壓降大約0.5至0.8伏特.
二極體電流流動的方向依照二極體的箭頭方向.(單向導體)
二極體沒有電阻.不遵守歐姆定律.
2.整流(Rectification)
二極體用來整流是二極體最簡單也是二極體最重要的應用,二極體配合其他的被動元件,把交流轉變成直流.
讓我們看一個簡單的例子:
一個連續的AC訊號通過一個二極體時,因為二極體單向導通的特性,這個二極體只有當AC電壓大於零時才會導通.所以在二極體的另一端,這個AC輸入變成:
有一個要注意的地方是:
一個完整的正弦波在輸出端只剩下一半.所以只利用一個二極體,只能達到"半波整流"(half-waverectification)的效果.那又如何達成"全波整流"(full-waverectification)呢?
如果您用下面這個方法,您就可以達成"全波整流"的目的.這個整流子稱為"橋式整流子"(full-wavebridgerectifier).
實際使用二極體整流時常見的方法有:
為了吸收二極體產生的開關噪音,通常會在每個二極體旁並聯一個0.1uF的電容(電容的耐壓需要是輸出電壓的二倍):
如果您堅持用真空管整流,常見的方法有:
或是真空管橋式整流:
理論上,一個全波整流子的輸出應該是:
因為二極體的順向壓降,將整個波形向下移動約0.6伏特(假設二極體的順向壓降是0.6伏特).所以,實際上,全波整流子的輸出是:
您有沒有注意到:
波與波之間有一點間隙?
這是二極體的順向壓降造成的效果.如果您手邊的示波器可以做傅立葉分析(FourierAnalysis)的話,可以試著把這個訊號做一下頻譜分析.您將可以看到除了100/120Hz以外,還有一堆200/240Hz,300/360Hz,...等高階諧波(higher-orderharmonics)存在。
一個全波整流子的輸出,還不能直接拿來應用.這時的50/60HzAC被轉變成一個100/120Hz的訊號而已,並不是穩定的直流.一個穩定的直流源,電壓與時間的關係應該是一條水平線。
也就是說,全波整流子的輸出需要再處理以後,才會具備直流的特性.處理的越小心,越精密,會越接近完美的直流源.這是下一次要討論的主題。
編註:
很少有人願意付出這麼多的時間來撰寫這種基礎性的文章,尤其,SteveSun旅居美國多年,整篇文章,對中文輸入並不熟悉的他,都是一點一滴利用螢幕上的小鍵盤輸入的!
請大家多給予一些鼓勵吧。
值得一提的是,SteveSun這個博士,是數學喔,從他的角度來寫電子基礎教學,又是另一番體驗。
濾波
1.基本方法.
在上次的討論中,我們知道一個整流子的輸出還不是穩定的直流.現在我們要來處理整流子的輸出.處理的越小心,越精密,會越接近完美的直流源。
最簡單的處理辦法是利用電容儲存能量及緩慢放電的特性.將全波整流子的輸出並聯一個電容:
讓我們來看這個電容在這裡產生的功能:
整流子的輸出是一個100/120Hz,上下振盪的訊號.當電壓升高時,電容開始充電,電壓降低時電容開始緩慢放電,在完全放電之前,又再度開始下一波充電與放電的程序.所以並聯一個電容的效果是把一個在0伏特與V伏特間劇烈振動的訊號變成一個振幅較小的漣波(ripple).這個電容越大,漣波的振幅dV越小,也就是說越接近直流.
理論上,如果這個電容的電容值是無限大,那麼這個濾波電容的輸出就是一個完美的直流.但是,世界上沒有完美的事物,也因為物物皆有缺陷,所以才會產生各種不同的方法,想要補償不足,科技才會不停的進步.
對於這個漣波,為了將來的需要,我們把它分解成:
左側這個直流稱為漣波的"載波",右邊的只是一個AC小訊號.如此一來,就可以把AC與DC分別處理.也就不需要較多的數學了。
實際設計上面臨的首要的問題是:
要多大的電容?
理論上是越大越好,電容越大儲存的能量越多.一般而言,為了能夠有足夠多的能量能儲存在這個電容裡,這個電容的選擇應該遵守一個原則:
f=漣波頻率(120Hz或是100Hz).或是:
另一個重要的問題是:
如何計算漣波起伏的電位差,dV?
漣波起伏的電位差的公式:
最後,二極體全波整流電容濾波後,輸出電壓是1.414xV.但是,這只是理想的數字.實際應用時,由於變壓器的"壓降"(regulation),及電路的負載等因素,請您使用第四節的公式計算實際的輸出電壓。
使用一個超大濾波電容的方式並不是非常理想的辦法.除了"土法煉鋼"以外,您應該用並聯多個較小的電容的辦法,逐漸減少漣波.使用多個電容的效果絕對要比一個"大水缸"好。
除了這個最基本的方法以外,還有其他的方法。
2.R-C濾波
現在您應該知道為什麼整流子的輸出要經過濾波電容了吧。
另一個方法是使用低通濾波器(low-passfilter).整流子的輸出是一個100/120Hz的訊號(外帶200/240Hz,300/360Hz,…等高階諧波),通過一個低通濾波器可以有效的減低這些100/120Hz,200/240Hz,…的訊號.第一種架設低通濾波器的方法是用一個電阻與一個電容:
如果省略這個電阻R,就是上一節所討論的內容.但是,還是有很多人在這裡放一個電阻.電流流經這個電阻時,能量的消耗是:
不是大家都忘了這點,而是這個電阻可以保護下游的電路,避免整流子瞬間產生大量電流流入下游電路.
R-C濾波的缺點是會損失電流.對於需要大電流的負載,R-C濾波會損失大量的電能.R-C濾波只有在電流需求不高的電路中使用較為妥當,這時,R-C濾波器的電阻可以發揮保護下游電路的功能.當然,C-R-C的設計比單純的R-C好.利用第一個電容產生一個漣波,再加上R-C濾波來濾除漣波,架設成效果更好的C-R-C濾波器.
3.L-C濾波
另一種製造低通濾波器的方法是使用L-C電路:
在1960年代設計的電路中,前輩們經常使用一個"扼流圈"(choke)之後另用一個電容,如:
電感利用電流把能量儲存在磁場裡.當負載需要能量時,這時電容兩端電壓會下降,也會有電流流過L.因為電流產生變化,磁場儲存的能量轉變成電能.這個電感產生的磁場會對周圍的小訊號產生一定的影響.而且,現在的扼流圈都比較昂貴.但是當負載需要大量的能量時,L-C濾波會是很有效的工具.只要在PC板layout時小心設計,就可以把磁場對周圍的影響減至最低.當然您可以結合第一節的方法與L-C濾波架設成C-L-C濾波.
從這裡看來,C-L-C濾波似乎是萬靈丹.可以達成C-R-C的效果,而無C-R-C的缺點(R會消耗能量).但是事實並非如此.等下一次我們再來仔細討論.C-R-C或是C-L-C濾波,因為整流子之後的第一個被動元件是一個電容,所以這類的濾波器稱為capacitor-inputfilters.
另一個L-C低通濾波器的應用是喇叭的分音器。
4.R-C,L-C濾波公式
設計時,通常需要一些公式輔助,計算輸出電壓.這節的目的是把一些常用的公式整理一下,以備不時之需。
Erms是濾波器輸入電壓,也是變壓器次級標示電壓,講得更白話,就是用電表量到的電壓.Ripplefactor是漣波高低起伏與輸出電壓的比例.AC頻率定為60Hz.RL是負載阻抗。
從這些公式,您有沒有看出什麼規律?
提示:
輸入端第一個濾波元件是電容時,輸出電壓是1.4xVin再減去負載電流產生的壓降.輸入端第一個濾波元件是電感時,輸出電壓是0.9xVin,與負載電流無關!
輸入端第一個濾波元件是電容時,濾波器稱為是capacitorinput.輸入端第一個濾波元件是電感時,濾波器稱為是chokeinput.下一次我們要更深入的討論capacitorinputfilter與chokeinputfilter的差別。
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