二極體整流/真空管整流/雙橋式整流/雙電源整流  

電源電路研析(一)

By 張國平

文章來源:電源電路研析(一)作者:張國平

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。

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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

半波整流半波整流  

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!

雙電源變壓器次級反向的波形全波整流  

正半週電壓全波整流負半週電壓全波整流  

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
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。

真空管全波整流  

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。

橋式整流橋式整流  

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。

雙電源橋式整流雙橋式整流  

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,我們要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。

文章來源:電源電路研析(一)作者:張國平

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