D04二极体交流电路

1、chapter 4二極體交流電路二極體交流電路 2本章重點一覽n4.1交流信號交流信號 週期信號週期信號 (弦波、方波弦波、方波) 非週期信號非週期信號 n4.2傅立葉轉換傅立葉轉換 信號的轉換信號的轉換 n4.3限幅電路限幅電路 限幅電路限幅電路n4.4 整流電路整流電路 半波整流電路半波整流電路 多頻信號產生器多頻信號產生器3本章重點一覽n4.5 簡單交流對直流轉換電路簡單交流對直流轉換電路 半波整流器半波整流器 漣波電壓漣波電壓n4.6 實用電源電路實用電源電路 電壓轉換單元電壓轉換單元 交流對直流轉換單元交流對直流轉換單元 穩壓單元穩壓單元 n4.7 結語結語44.1 交流信號 n 通

2、常在日常生活中看到或使用到的大多是交通常在日常生活中看到或使用到的大多是交流信號，其中又分為週期信號、非週期信號流信號，其中又分為週期信號、非週期信號n 週期信號週期信號(periodic signal)：相同波形不斷重：相同波形不斷重複出現的信號，如下圖複出現的信號，如下圖4.1的弦波的弦波n t：信號的：信號的週期週期(period)，每隔每隔t時間便重複出現一基本波形時間便重複出現一基本波形t a0v圖4.154.1 交流信號 n 弦波的數學式為弦波的數學式為 n a：信號的：信號的振幅振幅(amplitude)n f ： 頻率頻率(frequency)，基本波形每秒鐘出現的個數，為週期

3、，基本波形每秒鐘出現的個數，為週期 的倒數的倒數 n 或表示為或表示為n w：角頻率角頻率(angular frequency) ) tf2sin(a) t (st2f2wwtsinaft2sina) t ( s64.1 交流信號 n 和弦波振幅相關的參數：和弦波振幅相關的參數： vmax = a，最大電壓。，最大電壓。 vmin = a，最小電壓。，最小電壓。 vp p = 2a，峰對峰電壓峰對峰電壓(peak-to-peak voltage)，表示它的波峰到波谷相差，表示它的波峰到波谷相差2a ，均方根電壓均方根電壓 (root-mean- square voltage)n 交流電壓的大小

4、通常以均方根電壓表示，例交流電壓的大小通常以均方根電壓表示，例如家用的如家用的110v交流電壓，實際振幅為交流電壓，實際振幅為156v 2adt) t (st1v2/1t02rms74.1 交流信號 n 方波信號：另一常見的週期信號，波形見下方波信號：另一常見的週期信號，波形見下圖圖4.2n 在大部分的數位電路中，方波信號稱為在大部分的數位電路中，方波信號稱為時脈時脈信號信號(clock signal)，為電路動作的基準，其頻，為電路動作的基準，其頻率往往決定整個電路的運作速度。率往往決定整個電路的運作速度。 t圖4.284.1 交流信號 n 非週期信號非週期信號(non-periodic s

5、ignal) ：波形雜亂：波形雜亂無章，無法像週期訊號可用簡單數學式表示，無章，無法像週期訊號可用簡單數學式表示，但可以透過但可以透過傅立葉轉換傅立葉轉換(fourier transform)瞭瞭解它們的特性解它們的特性94.2 傅立葉轉換 n 傅立葉傅立葉(fourier)發現弦波信號是數學界的基發現弦波信號是數學界的基本粒子，任何信號，本粒子，任何信號，不論週期或非週期，都不論週期或非週期，都可以用弦波信號的組合來表示可以用弦波信號的組合來表示n 週期信號：傅立葉證明任一週期為週期信號：傅立葉證明任一週期為t的週期信的週期信號號s(t)都可表示為都可表示為n w = 2 /t n 和和 ：

6、由：由 s(t) 的波形決定的波形決定 )wt2cos(a)wtcos(aa) t ( s22110)nwtcos(aa1nnn0nan.(4.2)104.2 傅立葉轉換 n (4.2)式：式：傅立葉序列傅立葉序列(fourier series)，證明週，證明週期性信號可視為一群弦波期性信號可視為一群弦波(coswt，cos2wt，)的組合；頻率由原信號的週期決定，不同頻的組合；頻率由原信號的週期決定，不同頻率對應的振幅及相位，由信號的波形決定率對應的振幅及相位，由信號的波形決定n 非週期信號：沒有規律性，無法以傅立葉序非週期信號：沒有規律性，無法以傅立葉序列表示。傅立葉證明任一非週期信號列表

7、示。傅立葉證明任一非週期信號s(t)可用可用積分形式表示為：積分形式表示為：n dwe )w(s21) t ( sjwt.(4.3)wtcosejwtwtsinj114.2 傅立葉轉換 n (4.3)式表示：任何非週期信號可以視為無數式表示：任何非週期信號可以視為無數弦波信號的積分所組成，振幅弦波信號的積分所組成，振幅s(w)由由s(t)的波的波形決定形決定n 由由(4.2)和和 (4.3)式證明，不論是週期信號或非式證明，不論是週期信號或非週期信號，皆由弦波信號所組成週期信號，皆由弦波信號所組成 124.3 限幅電路n 限幅電路限幅電路(limiter circuit) ：去除過高或過低的：

8、去除過高或過低的電壓信號，保護電路不因為太高或太低的電電壓信號，保護電路不因為太高或太低的電壓，造成電路工作不正常。利用二極體限幅，壓，造成電路工作不正常。利用二極體限幅，是是積體電路積體電路(integrated circuit, ic)設計中常設計中常用來保護電路的方法。用來保護電路的方法。n 右圖右圖4.3即為限幅電路即為限幅電路n 輸入信號輸入信號 n 假定外加電壓小於假定外加電壓小於0.7v：截止狀態：截止狀態n 外加電壓高於外加電壓高於0.7v：導通且維持導：導通且維持導通電壓通電壓vd(on) = 0.7v 圖4.3vo0.7vris(t)volt(wtsin5) t ( s13

9、4.3 限幅電路n 下圖下圖4.4：s(t) -0.7v：截止狀態：截止狀態s(t) 0.7v：d1導通、導通、d2截止截止 s(t) -0.7v：d2導通、導通、d1 截止截止-0.7v s(t) va + 0.7v；d1導通、導通、d2截止截止 s(t) (vb+0.7v) ：d2導通、導通、d1截止截止 (vb+0.7v) s(t) (va+0.7v) ：d1/d2皆截止，皆截止，vo = s(t) 限制限制vo在在 (vb + 0.7v)及及(va + 0.7v)之間之間 圖4.6s(t)rvova vbid1 d2)v7 . 0v(vvvb)on(dbov7 . 0vvvva)on(

10、dao164.4 整流電路n 半波整流電路半波整流電路(half-wave rectifier) 見下圖見下圖4.7s(t) = 0.7v：導通並維持：導通並維持其端電壓為其端電壓為0.7v 限制限制vo不小於不小於0.7vn 利用二極體的方向性整流，利用二極體的方向性整流，將小於將小於0.7v的部分截掉，僅的部分截掉，僅讓大於讓大於0.7v以上的信號通過以上的信號通過，而其最高電壓為，而其最高電壓為4.3v圖4.7vo4.3vris(t)174.4 整流電路n 多頻信號產生器多頻信號產生器 (multiple frequency generator)：整流電路的另一個用途整流電路的另一個用途

11、 。n 利用二極體方向性整流出來利用二極體方向性整流出來的半波，根據傅立葉轉換的半波，根據傅立葉轉換半波由各種頻率的弦波組成半波由各種頻率的弦波組成，在輸出端加上，在輸出端加上濾波器濾波器(filter)，就可以濾出想要的頻率的信，就可以濾出想要的頻率的信號，如上圖號，如上圖4.8)nwtcos(aa) t (v1nnn0o圖4.8vors(t)濾波器184.5 簡單交流對直流轉換 電路 n 交流對直流轉換電路交流對直流轉換電路(ac to dc converter)：利用二極體的方向性配合電容的充放電特性，利用二極體的方向性配合電容的充放電特性，將交流信號轉變為直流電壓將交流信號轉變為直流電

12、壓n 右圖右圖4.9為簡單的交流為簡單的交流對直流轉換電路對直流轉換電路 n 輸入信號：假設為輸入信號：假設為20vp-p的弦波的弦波 n 假定一開始電容上無任何電荷，假定一開始電容上無任何電荷，vo = 0v，週而復始由，週而復始由 10v上升到上升到10v，再下降至，再下降至 10v 圖4.9vocs(t)vd 194.5 簡單交流對直流轉換 電路 n s(t) 0.7v： vo = 0v二極體為截止狀態，電容無放電路徑，電壓維持不變二極體為截止狀態，電容無放電路徑，電壓維持不變0.7v s(t) s(t) -10v：vo = 9.3v電壓開始下降，電流反向電壓開始下降，電流反向截截止狀態

13、，電容無放電路徑，止狀態，電容無放電路徑， vo維持不變維持不變vo 維持維持9.3v的直流電壓，成功將交流信號的直流電壓，成功將交流信號 轉為直流電壓轉為直流電壓圖4.9vocs(t)vd 204.5 簡單交流對直流轉換 電路 n 圖圖4.9的輸出端外接電路時，外接電路會提供的輸出端外接電路時，外接電路會提供電容放電路徑消耗電流，因此輸出電壓電容放電路徑消耗電流，因此輸出電壓vo無無法保持不變法保持不變vo充至最大值充至最大值vmax後，電後，電容充電結束開始經由負載容充電結束開始經由負載放電，放電，vo逐漸下降；當輸逐漸下降；當輸入電壓再度上升至大於入電壓再度上升至大於vo，電容又充電至，

14、電容又充電至vo = vmax，如此反覆進行下去，如，如此反覆進行下去，如右圖右圖4.11所示所示 vovmaxvmintt圖4.11214.5 簡單交流對直流轉換 電路 n 由電容的放電公式，計算出放電過程結束時由電容的放電公式，計算出放電過程結束時vo達到的最小值達到的最小值(vmin )為為 n ：放電時間：放電時間n 定義定義漣波電壓漣波電壓(vripple )：rcmaxminevv)e1 (vvvvrcmaxminmaxripple224.5 簡單交流對直流轉換 電路 n 對直流電源而言，其輸出電壓愈穩定愈好，對直流電源而言，其輸出電壓愈穩定愈好，即即漣波電壓相對於漣波電壓相對於v

15、max 越小越好越小越好，因此定義，因此定義穩定度穩定度(stability factor)為：為：maxrippleoripplevvvvs234.6 實用電源電路 n 將將110v/60hz交流電，轉變為直流電源的實用交流電，轉變為直流電源的實用轉換電路，主要由三個電路單元所組成轉換電路，主要由三個電路單元所組成 電壓轉換單元電壓轉換單元 交流對直流轉換單元交流對直流轉換單元 穩壓單元穩壓單元 組合如下圖組合如下圖4.12所示：所示： 電壓轉換單元acdc轉換單元穩壓單元外接電路110v/60hz圖4.12244.6 實用電源電路 n 通常作交流對直流轉換前需先降壓通常作交流對直流轉換前需

16、先降壓 ，因為，因為110v/60hz交流電源的交流電源的 ，但，但實際的直流電壓通常遠低於實際的直流電壓通常遠低於156vn 利用電阻分壓是最簡單的利用電阻分壓是最簡單的降壓電路，如右圖降壓電路，如右圖4.13，缺點是電阻會消耗大量功缺點是電阻會消耗大量功率，因此並不實用率，因此並不實用 )v(1562110vpr1r2圖4.13254.6 實用電源電路 n 變壓器變壓器(transformer)(下圖下圖4.14)，是實用的降，是實用的降壓裝置；其輸出及輸入的交流電壓比，由線壓裝置；其輸出及輸入的交流電壓比，由線圈比所決定，與電流無關圈比所決定，與電流無關n 變壓器輸入端：變壓器輸入端：初

17、級端初級端(primary terminal)n 變壓器輸出端：變壓器輸出端：次級端次級端(second ary terminal)。n 輸入輸入/輸出電壓關係為：輸出電壓關係為：n n1與與n2 ：初級端及次級端的線圈數：初級端及次級端的線圈數圖4.14n1 ： n2v1 v22121nnvv264.6 實用電源電路 n 變壓器的電壓轉換過程，理論上不消耗任何變壓器的電壓轉換過程，理論上不消耗任何功率，但實際上會有部分功率損失造成變壓功率，但實際上會有部分功率損失造成變壓器發熱，所以變壓器有最大限制電流，避免器發熱，所以變壓器有最大限制電流，避免過熱而燒燬過熱而燒燬n 中間抽頭式變壓器中間抽

18、頭式變壓器(center-tapped transformer)，見右，見右圖圖4.16，在次級端的，在次級端的中心接一個端頭出來，有三中心接一個端頭出來，有三個接頭，是另一種形式的變個接頭，是另一種形式的變壓器壓器圖4.1612v110v/60hz130v212v274.6 實用電源電路 n 中間抽頭式變壓器的中間抽頭式變壓器的次極端中心接地後：次極端中心接地後：由端點由端點1,3及端點及端點2,3，可得到兩個，可得到兩個12v、振幅、振幅相同但反相的弦波信號相同但反相的弦波信號由端點由端點1,2，可得到，可得到一個振幅為一個振幅為24v的的弦波信號弦波信號圖4.1612v110v/60hz

19、130v212v284.6 實用電源電路 n 半波整流半波整流(half-wave rectifier) ：只在輸入信號：只在輸入信號的正半週進行一次充電的正半週進行一次充電，右圖，右圖4.17為變壓器加為變壓器加上半波整流器，利用二上半波整流器，利用二極體及電容組成的交流極體及電容組成的交流對直流轉換電路轉成直對直流轉換電路轉成直流電壓流電壓n 整流器有負載時，輸出電壓會有整流器有負載時，輸出電壓會有漣波漣波(ripple)產生產生 圖4.17110v/60hz110：12v2cvo)e1 (v)e1 (vvrctmaxrcmaxripple294.6 實用電源電路 n 經由數學推導，經由數

20、學推導，vripple可簡化為：可簡化為： n 電容量愈大，電容量愈大， vripple愈小，即輸出電壓愈穩定愈小，即輸出電壓愈穩定 上式隱含的物理意義為：電容電壓由儲存的上式隱含的物理意義為：電容電壓由儲存的電荷所決定，所以電荷減少將造成電壓改變電荷所決定，所以電荷減少將造成電壓改變 (即漣波電壓即漣波電壓) rctv)rct1 (1 vvmaxmaxripple304.6 實用電源電路 例例 1. n 應用圖應用圖4.18設計一個設計一個12v的直流電源，此電源的直流電源，此電源能提供能提供100ma的電流給外接電路並使的電流給外接電路並使vripple小小於於0.1v。此外請估算二極體平

21、均消耗的功率。此外請估算二極體平均消耗的功率及所承受的及所承受的最大反向電壓最大反向電壓(peak inverse voltage, piv)。 圖4.18110v/60hzciorvo314.6 實用電源電路 n 全波整流全波整流(full-wave rectifier) ：電容在一個弦：電容在一個弦波信號週期的正負半週皆能充電，比半波整波信號週期的正負半週皆能充電，比半波整流電路多一次充電機會，可降低漣波電壓流電路多一次充電機會，可降低漣波電壓 ；利用中間抽頭的變壓器及兩顆二極體組成，利用中間抽頭的變壓器及兩顆二極體組成，如下圖如下圖4.19 n 電阻電阻r：外接電路的等效電阻：外接電路的

22、等效電阻 圖4.19110v/60hzcrd2d1324.6 實用電源電路 n 中間抽頭式的變壓器兩輸出端信號反相中間抽頭式的變壓器兩輸出端信號反相d1導通對電容充電時，導通對電容充電時，d2於截止狀態；於截止狀態；d2導通對電容充電時，導通對電容充電時，d1於截止狀態於截止狀態 n 在一個弦波信號週期內，電容有兩次充電機在一個弦波信號週期內，電容有兩次充電機會，放電間隔為：會，放電間隔為：漣波電壓為漣波電壓為 是半波整流的一半是半波整流的一半2tc)2/t(icqvoripple334.6 實用電源電路 例例 2. n 應用圖應用圖4.19同樣設計一個同樣設計一個dc 12v的電源，此的電源

23、，此電源能提供電源能提供100ma的電流給外接電路並使的電流給外接電路並使vripple小於小於0.1v。 圖4.19110v/60hzcrd2d1344.6 實用電源電路 n 橋式整流電路橋式整流電路(bridge rectifier) ：利用兩端輸：利用兩端輸出的變壓器和四顆二極體所組成的全波整流出的變壓器和四顆二極體所組成的全波整流電路，功能與全波整流電路完全相同電路，功能與全波整流電路完全相同圖4.20110v/60hzcd2 d1v2d4 d3vor354.6 實用電源電路 n 橋式整流電路橋式整流電路的工作原理：的工作原理： ：d1、d4導通對電容充電導通對電容充電 d2、d3處於截止狀態處於截止狀態 ：d2、d3導通對電