電源供應器：

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舒残郝
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1 麵包板概論我們來介紹每一次實習必備用品 - 麵包板 (Bread board) 麵包板是由多組垂直相連的五個插孔組合而成, 因此當零件插入時, 相連的其他插孔可作為連接點或測試點用在麵包板上使用的導線不可太粗或太細, 通常使用 22 號的單線注意, 當實習作完之後, 最好將零件與導線卸下, 以免造成插孔鬆弛, 如果零件的腳太粗或太細, 最好使用 22 號線焊好後再插上麵包板, 以免損壞麵包板麵包板的規格有大有小, 不要買太小, 否則將來做實習不夠用, 下圖是一塊麵包板的內部接線圖

2 電阻概論電能電功率電流及電壓等, 皆是最重要的電之數量, 除此之外, 電阻也不可忽視一個電路或一套裝備, 其本身的特性, 諸如尺寸形狀與材質等, 會影響其電流量某些會阻礙電流的效應, 可稱之為電阻 (resistance) 在物質中, 電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻力這種阻力是起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞, 這種情況會使電能轉換成熱能任何電路或裝置, 常因發熱而消耗電功率電阻發熱而消耗電功率, 並非一無是處, 需視其是否有用而定有些電路就是利用電阻的特性來作功的, 例如我們可利用電熱器取得熱能電阻可用來限制電流量, 也可用來調整電壓還有其他的一些功能, 專門製造用來作這些工作的器具稱為電阻器 (resistor) 電阻的定義一電路欲阻止電流通過, 同時使電能轉換為熱能之性質, 謂之電阻單位為歐姆或簡稱歐, 以希臘字母 Ω(omega) 表示導體內部有大量的自由電子, 當電壓施於導體的兩端時, 會導致電流的產生, 但此一電流不可能無限制的增加,

3 此乃因為當電荷流經某一材料時, 必承受其電阻, 此種阻力被消耗轉變成為熱能了電阻的種類 1 各種物質之電阻各種物質均有大小不等的電阻值, 因其電阻之不同, 可分別歸屬於導體絕緣體不良導體及半導體四種材料 2 絕緣電阻絕緣體有阻止電流通過的特性, 但若加上高電壓時, 會有少許的漏電流流過絕緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過的能力, 阻值愈大愈好, 通常以百萬歐 (MΩ) 計絕緣電阻會因材質劣化表面附著之有機物塵埃及水滴等而減小 3 電解液電阻將蒸餾水加入容器內, 直流電源接上時, 幾乎沒有電流流通但若在蒸餾水中加入少許食鹽的話, 就有電流了食鹽濃度愈高則電流量愈大, 溶液中之食鹽 (NaCl) 因電離而分解成鈉離子 (Na+) 及氯離子 (Cl-) 類此狀態之溶滌稱為電解液, 如食鹽能分解成離子者稱為電解質量度電解液之電阻時, 必須使用交流電源以防止

4 極化作用之影響 4 接地電阻將銅板埋入大地內 ( 接地 ), 加上電壓後, 電流如箭頭方向流動如此意謂地球是一個大導體, 銅板與大地間之電阻稱為接地電阻, 其阻質與土質水分與含電解質的程度有關 5 接觸電阻電路之開關使電流通斷, 開關的刀片 (A) 與夾片 (B) 若無完全密接時即有接觸電阻存在接觸電阻大時, 電流不易流通, 接觸部分容易發熱而引起故障

5 歐姆定律 1 歐姆 (Georg Simon Ohm l787~1854 德國物理學家 ) 於 1826 年作的實驗, 確定了電阻電壓及電流的關係, 此即歐姆定律 : 2 依穩定電流而言, 電路中電流的大小與加於該電路之電動勢成正比, 而與該電路的總電阻成反比即 I = V / R V 代表電壓降或端電壓, 單位為伏特

6 R 代表被量度部份的電阻, 單位為歐姆電阻標準色碼色碼以色帶的形狀繪記於電阻器上, 一般有二種方式 : a 三帶式三條色帶即代表其歐姆值, 誤差一律為 20% b 四帶式前三帶代表歐姆值, 第四帶代表誤差, 此最常用者電阻的數值 : 電阻的代表字母是 R resistor, 單位是歐姆 ohm 或 Ω, 若數值較高者, 常以 kω 或 MΩ 表示,1KΩ=1000Ω, 1MΩ= Ω, 在電阻上的標示方法有數值標示法與色碼標示法色碼的辨識 : 誤差 ± 5% 以上電阻色碼 : 顏色黑棕紅澄黃綠藍紫灰白金銀無色第一位數

7 第二位數容許誤差 ± 5% 10% 20% 誤差 1% 以下電阻色碼 : 顏色黑棕紅澄黃綠藍紫灰白金銀第一位數第二位數第三位數容許誤差 ± x 1% 2% x x 0.5% 0.25% 0.1% 0.05% x 5% 10% 下圖是三種常見電阻, 自左而又分別是碳素電阻, 金屬氧化膜 METAL OXIDE FILM 電阻, 與誤差 1% 精密金屬膜 METAL FILM 電阻現在讓我們來看看它們的色碼代表的各是多大的阻值!

8 1 碳素電阻 : 第一位數黃代表 4, 第二位數紫代表 7, 倍數色碼黃色代表 104, 誤差值色碼金色代表 ±5%, 所以這個電阻的阻值就是 47x104 亦即 470kΩ 誤差 ±5% 2 氧化金屬膜電阻 : 第一位數棕色代表 1, 第二位數黑色代表 0, 倍數色碼黑色代表 100 亦即 1, 誤差色碼金色也是 ±5%, 所以代表的數值是 10x100 也就是 10Ω 誤差 ±5% 3 金屬膜電阻 : 第一位數棕色代表 1, 第二位數黑色代表 0, 第三位數黑色代表 0, 倍數色碼橙色代表 103, 誤差色碼棕色代表 ±1%, 所以代表的數值就是 100x103 也就是 100kΩ, 誤差 1%

9 電容概論下圖中,A 與 B 為平行放置的導電極板, 其間隔以絕緣物質 ( 如空氣 ), 經由一開關 S 連接至一直流源 E 兩極板未接通電源前均保持中性為不帶電之狀態當 S 閉合後, 極板 A 之電子被吸引向電池的正極, 因而 A 呈現帶正電荷的現象 ; 同時電池負端的電子則被排斥向極板 B, 使 B 呈現帶負電荷的現象 ; 因此, 在 A B 兩極板之間形成電場並建立一電位差 V 這種電子流動的現象持續進行, 所轉移之電量與電源之電壓成正比, 直至 AB 兩極板間之電位差與電源電壓相等時 (V = E), 才停止電子之移動電子流動的過程中, 將電源的能量帶出而轉存於兩極板之上, 也就是說儲存了電荷

10 如上所述, 將兩平行導電極板隔以絕緣物質而具有儲存電荷能力的器材, 稱為電容器 (capacitor 或 condenser) 導電極板稱為電容器之電極 (electrode), 絕緣物質稱為電介質 (dielectric) 或簡稱介質電容量 (capacitance) 是用來表示電容器能儲蓄電荷的能力 ( 或容量 ) 各種電容器, 因導體的大小體形狀體材質及板間距離與介質種類等因素的不同而有不一樣的電容量, 但所能儲存的電荷量 Q 與其電位 V 係成正比, 即 Q=CV 式中的比例常數 C 即為電容器之電容量, 簡稱電容 C=Q/V 電容的單位為庫能 / 伏特, 為了紀念科學家法拉第 (Michael Faraday l791~1867, 英 ) 對電學的偉大貢獻, 將 1 庫侖 / 伏特的電容稱為 1 法拉 (farad), 簡稱法, 單位記號為 F 或 f 在實用上, 法拉之單位常嫌過大, 例如一個球體若要 1 法拉的電容, 則半徑必須為 9*10e9 公尺! 因此常以微法 (micro-farad,μf) 或微微法 (micro-mlcro-farad,μμf 或 Pico-farad,pF) 來表示電容值的大小兩平行金屬板電容器是最簡單而且實用的電容器, 在兩

11 板之間填以介質, 兩板之間隔 d 甚小於板的面積 A, 如下圖所示電容之大小與金屬板之面積及介質之介電係數 ε 成正比, 而與兩板間之距離成反比, 即 C=(εA)/d 真空或空氣之介電係數為 ε =8.84*10e-12(F/m) 各種介質有其承受最高電壓的限制, 其所能抵抗破裂之性質稱為其介質強度 (dielectric strength), 亦即該介質單位厚度所能承受之最大電壓值, 也就是所謂的破電電壓 (breakdown voltage) 閃電即是破壞之一例, 當雲層與大地之間的電位高到使電荷穿越大氣 ( 作為介質 ) 時, 閃電便告發生

12 零件認識與標示辨識二電容電容器的代表字母是 C capacitor, 單位為法拉 farad, 但是因為法拉的額度太大並不符合電容實際使用容量大小的標示需要, 所以又有較小的微法拉 μf micro farad 相當於 10-6 法拉, 以及更小的微微法拉 pf pico farad 相當於法拉, 以及介於兩者之間的 nf nano farad, 相當於 10-9 法拉電容的標示主要有下列幾項, 先簡單的來介紹一下 : 1. 電容容量 : 這是標示著這一個電容的容量大小, 如果錯用了不同數值的電容, 雖然不一定會出事, 但是卻已經偏離原先電路設計的本意 2. 電容耐壓 : 這是表示此一電容所能承受的最高峰值電壓, 需要視電路的狀態選用足夠的耐壓品種, 才不會因為電容耐壓能力不足, 輕則電容被擊穿而報銷, 重則電容爆裂機毀人傷, 不可不慎!

13 3. 電容極性 : 除了無極性金屬膜電容與陶瓷電容, 雲母電容外, 一般電容都有極性的分別, 裝機時極性搞錯接反了, 小心炸電容的慘烈景況! 恐怖啊! 4. 容量誤差 : 容量誤差代表此一型號電容的容量誤差值, 誤差值越低代表您買到的電容容量與標示值越相近, 大量使用時也表示整體能更趨一致 5. 電容耐溫 : 表示電容能承受的工作溫度極限, 超過此一限制, 電解液可能乾涸或減短壽命圖一這是一顆電解電容, 容量為 1000uF, 耐壓為 35V, 耐溫為 85 C, 照片下方標示白色 - 號的一側為負極, 接腳也比另外一邊短!

14 當然還有其他的諸如材質種類, 廠牌, 產品標號代碼等等, 各家廠商在標示方法上比較不一致, 先擺在一邊不談! 1 電容容量 (1) 以 uf 為單位 : 電容容量 1uF 以上者, 直接以數值標示容量, 例如 10000uF,3300uF (2) 以 pf 為單位 : 第一位數與第二位數代表電容數值, 第三個數字代表 10 的次方, 亦即數值後面 0 的個數例如電容容量標示為 104 者, 代表 10 後面有四個 0, 亦即 pF (3) 以 nf 為單位 : 電容容量標示為 100n 代表 100x10-9=10-7 法拉, 亦等於 0.1x10-6 法拉, 所以等於 0.1uF 以上關係可以表示為 1uF=102nF=105pF 2 電容耐壓電容耐壓以伏特 v 表示, 直接標示在電容外殼或印在套膜上, 選用電容時應注意電路電壓峰值並預留餘裕

15 圖二各種大小不同的電解電容, 注意上面有標示了耐壓值, 電容容量, 另外您還發現什麼呢? 它們都有一雙長短不一樣的接腳!WHY? 因為它們都是有極性的! 用的時候可別接錯邊喔! 3 電容極性電容極性一般印刷在電容外殼或套膜上, 或以較短的接腳代表負極

16 左邊三顆是鉭固體電解電容, 具有極性右邊是積層電容, 沒有極性, 所以鉭質電容的接腳有長短的分別, 而積層電容則沒有! 4 電容誤差 : 電容誤差以字母標示如下 10pF 10pF B C D ±0.1pF ±2.25pF ±0.5pF E ±25% F ±1pF ±1% G ±2% H ±2.5% J ±5% K ±10% M ±20% P -0~+100% S -20~+50%

17 W -0~+200% X -20~+40% Z -20~+80% 圖四我們可以看到三顆大小不同的金屬膜電容 : 1 最上方的小電容標示為 100n K 400V 表示容量 100nF=0.1uF 容量誤差 K= ±10% 電容耐壓 400V 2 中間特大號那個傢伙標示 1.0uF M 表示容量 1.0uF 容量誤差 M=±20%

18 電容耐壓則標示在側面為 250V 3 現在看看最下面那顆標示為 10uF K 100V 表示容量 10uF 容量誤差 K=±10% 電容耐壓 100V 電容符號

19 電感概論上圖之電路中有一個線圈, 圖 (a) 之開關 S 為啟開狀態, 電路中沒有電流當開關閉合時 ( 如圖 ), 線圈兩端有一電壓 V, 電路雖然導通了, 但最初時尚無電流, 電流由零漸增至 I=E/R 之值, 電路如同僅有一只電阻器 R 存在電流在線圈周圍建立了一個磁場, 由零至最大值 ; 此乃是將電能轉換成磁能至線圈而儲存起來的一種方式下圖為電容器電路, 其將電能轉換成電場的方式儲存於電容器之內下表為這兩種系統的比較

20 由上表可知兩種電路的狀態相同但結果卻相反但當電路情況達穩定狀態時, 兩者均儲存了最大的能量電容器兩電極間的電場強弱相應於其電壓之高低, 而線圈周圍的磁場強弱則相應於其電流的大小線圈以磁場方式儲存能量的能力稱為電感, 此線圈稱為電感器 (inductor) 電感量的符號為 L, 其單位為亨利 (henry), 符號為 H 在實用上, 亨利的單位有時嫌其過大, 常使用毫亨 (milli-henry, mh) 及微亨 micro-henry, uh): 1mH=10e-3H, 1μh=10e-6H

21 電感的歐姆定理上圖為電感電路電感之電壓的大小為其電感量與電流變動率的乘積, 此即電感的歐姆定律 : v=l*(di/dt), v= 感應電壓 L= 電感量 di/dt= 電流變動率因此, 電感的定義換個方式說, 即為 : 一個電路的電壓與其電流變動率的比例常數為電路之電感電流在 1 秒間的變動量為 1 安培時, 感應電勢為 1 伏特電感的充電與放電下圖 (a) 顯示電路為開路狀態, 電路沒有電流, 電感器沒有被充電, 因此也沒有儲存能量圖 (b) 的開關 S 投置於位置 2 時, 電感電路成為通路, 電感器隨著電流 ia 的增加而產生逐漸增強的磁場, 此時感應電勢 Va 之極性如圖所示磁場是電感器充電狀態時儲存能量的方式, 維持磁場存在的必要條件是電流不可中斷一旦充電的電源中斷 ( 如下圖 c 所示 ), 沒有電流時, 電感器的磁場立即崩潰, 所儲存的能量也被釋放了 ; 這個情形與電容器的狀態是不同的

22 若在撤離電源的同時, 改接一負載電阻 R( 如下圖 d 所示 ), 此瞬間, 電路電流 ib 仍與 ia 相同但因電感器失去了電源供給, 所儲存的能量 ( 磁場 ) 經由電阻開始衰減, 電流 ib 逐漸減小 ( 方向不變 ) 以至於零 ; 電流減小的速度與電阻 R 成反比例在此過程中, 電感器的感應電勢 Vb 之極性與 Va 相反, Vb 之值則隨 ib 之減小而降低 ; 這個過程稱為電感的放電不含電阻的線圈稱為純電感, 純電感是不消耗能源的電池的能量經由電流 ia 供應增強中的磁場, 然後完全轉換成由電流 ib 供應的衰減磁場, 而於電阻器中變成熱損耗掉

23 二極體概論 : 二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者, 而它的一些原理與特性卻是構成其他半導體元件的基石, 所以我們在此漸近且詳盡地介紹半導體的特性以下分成各小來說明純半導體 : 1 在化學元素中, 原子最外層軌道上的電子, 我們稱之為價電子, 而常用的半導體材料為矽 (silicon, Si) 和鍺 (germaniun, Ge) 最外層軌道都具有四個價電子每一原子為了保持電性及化學特性最穩定狀態, 最外層具有 8 個價電子, 並且這 8 個價電子是成對的與鄰近的四個原子共有的, 這成對的電子吾人稱它叫共價鍵, 如下圖 (a) 所示

24 2 電子被束縳於共價鍵, 以純半導體不導電但是當溫度高於絕對零度時, 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大, 甚至部分電子脫離共價鍵, 成為帶負的自由電子電子脫離共價鍵後, 在原位留下一個空位, 而且原子就成為帶正電荷的正離子, 所以這個空位我們稱之為帶正電荷的電洞如上圖 (b) 3 在室溫下, 矽和鍺都有少許自由電子存在, 故其具有導電能力, 導電係數介於絕緣體和導體之間 N 型半導體 1 若純半導體中摻入五價元素, 由於價電子間會互相結合形成共價鍵, 而五價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電子, 此半導體稱之為 N 型半導體由於摻入丕價元素後電子數全增加, 故五價元素稱為施體如下圖所示

25 2 在 N 型半導體中, 自由電子佔大多數, 故稱多數載子相對的, 因受熱而破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數, 所以電洞在 N 型半導體中稱為少數載子因摻入五價雜質, 自由電子數加, 以致半導體的導電率提高, 而電阻值下降 P 型半導體 1 相對於 N 型半導體, 當在純矽中摻入三價元素的雜質, 使得每個矽原子與三價雜質結合產生共價鍵時, 便缺少一電子, 也就是多一個電洞, 如此半導體稱之為 P 型半導體由於加入三元素, 半導體原子中空位增多, 故稱三價元素為受體, 如下圖所示 2 在 P 型半導體中, 多數載子為電洞, 少數載子電子 3 P 型半導體也因多數載子比純半導體多, 以致導電率提高, 而電阻值下降

26 P-N 接合 1 P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時, 接面處電子與電洞相結合, 造成在靠近接面處的 N 型半導體失去電子後變成正離子, 而 P 型半導體失去電洞後變成負離子, 此時正離子排斥電洞, 負離子排斥電子, 因而阻止了電子與電洞繼續結合, 達到平衡狀態, 維持了一個小宇宙的和諧 2 在 P-N 接面附近, 有一區域沒有自由載子為電子與電洞, 只有帶正負電的離子, 此區域吾人稱之為位能障壁 (potential barrier)vb, 一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為 0.2V, 而矽為 0.6V, 如圖下所示

27 順向偏壓 1 當外加直流電源的正端接到二極體的 P 極, 而將負端接到 N 極, 就構成二極體的順向偏壓如下圖所示 2 外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁, 使自由電子由電源的負極經過二極體的 N 極很容易地通過接面, 與 P 極的多數載子 -- 電洞復合, 變成價電子, 通過 P 極到達電源的正端, 以致產生大量的順向電流逆向偏壓 1 當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極, 而將負端接到 P 極, 就構成了二極體的逆向偏壓如下圖所示

28 2 二極體在逆向偏壓下, 使 N 型區的自由電子遠離接面而移動至電壓正端, P 型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端, 結果 n 極的正離子與 p 極的負離子增加, 空乏區也隨之加寬直到位能障壁的電位差等於外加電壓為止 3 此時 P 極與 N 極的少數載子因熱能而有限地增加, 產生的逆向電流很微小, 通常以飽和電流 (saturation current,is) 來表示

29 電源供應器 1: 整流的基本概念 1. 二極體 (Diode) 首先, 二極體的電路符號是 : 它的 V-I 曲線如下 :

30 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= I x R 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-linear passive device) 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 10 ma 時, 二極體兩端電位差大約是 0.5 V 更準確的說, 應該是通過二極體的電流大約是 10 ma 時, 兩端電位差是 +0.5 V 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 " (forward voltage drop) 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 (forward biased) 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 )

31 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 -50 V 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 " (reverse biased) 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 1N4001=50V,1N4002=100V,1N4004=400V 1N4006=800V( 以上皆 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

32 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

33 剩下一半所以只利用一個二極體, 只能達到 " 半波整流 " (half-wave rectification) 的效果那又如何達成 " 全波整流 " (full-wave rectification) 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-wave bridge rectifier) 實際使用二極體整流時常見的方法有 :

34 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 0.1 uf 的電容 ( 電容的耐壓需要是輸出電壓的二倍 ): 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 :

35 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 (Fourier Analysis) 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 100/120 Hz 以外, 還有一堆 200/240 Hz,300/360 Hz,.. 等高階諧波 (higher-order harmonics) 存在一個全波整流子的輸出, 還不能直接拿來應用這時的 50/60 Hz AC 被轉變成一個 100/120 Hz 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

36 電源供應器 2: 濾波的基本概念概論在開始討論濾波之前有一點要先聲明 : Filter 是一門較深奧的理論, 要徹底研究 filters 少不了要用到轉移函數 " (transfer function) 之類的工具, 只好暫時割愛了等以後有機會時再來討論克希赫夫定律 (Kirchhoff's theorem), 網路與節點分析 (mesh and nodal analysis), 拉普拉斯變換 (Laplace transform) 對這些題材感興趣的朋友請您參考 : Valley, Wallman: Vacuum Tube Amplifiers 第一章 ( 或是電路學的書籍, 如 : Chua, Desoer, Kuh: Linear and Non-Linear Circuits, 第八章 ) 1. 基本方法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

37 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 100/120 Hz, 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

38 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 :

39 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 (120 Hz 或是 100 Hz) 或是 : 最後, 二極體全波整流電容濾波後, 輸出電壓是 x V 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, 會較實際的輸出電壓小一些

40 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-pass filter) 整流子的輸出是一個 100/120 Hz 的訊號 ( 外帶 200/240 Hz, 300/360 Hz, 等高階諧波 ), 通過一個低通濾波器可以有效的減低這些 100/120 Hz, 200/240 Hz, 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 :

41 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

42 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, 經常使用一個 " 扼流圈 " (choke) 之後另用一個電容, 如 :

43 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 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-input filters. 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

44 Erms 是濾波器輸入電壓 ( 有效值 ), 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 Ripple factor 是漣波高低起伏與輸出電壓的比例 AC 頻率定為 60 Hz RL 是負載阻抗

45 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 1.4 x Vin 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 0.9 x Vin, 與負載電流無關!

46 電源供應器 3: 穩壓的基本概念 LM78xx, LM79xx, LM317, LM337 IC 穩壓器這節要介紹穩壓 IC, 穩壓 IC 可以相當有效的減低成本, 減小佔用的空間, 穩壓 IC 的使用須配合適當的設計, 三端 IC 穩壓器是非常容易使用的電子元件讓我們從最簡單的穩壓 IC, LM78xx, LM79xx 看起 LM78xx 有三隻接腳 : in, out, gnd 分別接到輸出, 輸出及地線輸出的電壓固定輸出 +5 V, 7812 輸出 +12 V, 使用這些 IC 時要注意輸入電壓要在 data sheet 的範圍內下圖是 LM7805 的實際應用 : 輸出端並聯 0.1 mf 電容的目的是要降低高頻阻抗, 改善暫態反應 " (transient response) 使用時, 輸入端也常常加

47 上一個 0.33 mf 以上的電容如果需要負電壓供應, 可以換用 79xx 系列 LM7905 輸出 5 V, LM7912 輸出 12 V... 等等, 依此類推 78xx, 79xx 最不方便的地方是輸出電壓已經固定 ( 當然您可以在 gnd 下方加上 Zener, 把 gnd, out 腳的電位墊高的手段達成高壓穩壓的目的 ) 接下來, 讓我們看一些更好, 更易使用的穩壓 IC: LM317, LM337 LM317 與 LM78xx 一樣有三隻接腳 : in, out, adj 不同的是 adj 接腳取代了 gnd 接腳 LM78xx 穩壓 IC 有固定的輸出電壓 LM317 並沒有固定的輸出電壓, LM 317 只控制 out 與 adj 接腳間的電位差為 1.25 V 讓我們來看一下 LM317 的用法 :

48 假設 R2 是一個固定電阻因為 out 的電位高, 電流經 R1, R2 流入接地點 LM 317 的 adj 消耗非常少的電流, 可忽略不計所以, adj 的電位是 I x R2 又因為 LM 317 adj, out 接腳間的電位差為 1.25 V, 所以 out 的電位是 : 接下來, 計算 I: out 與 adj 接腳間的電位差為 1.25 V, 電阻 R1 電流 I 是 : 1.25/R1 結論 : 這個計算說明了一件事 : 適當調整 R1, R2, 可以達成高壓穩壓的目的但請您注意 :LM 317 的 in, out 接腳間的電位差不能超過 35 V 所以在高壓應用時, 通常都會在 in 與 out 之間加入 Zener 保護 LM317 LM317 的 data sheet 中有很多實例可以參考

49 另一個要注意的是 : LM 317 的最大供應電流是 1 A 如果需要更高的電流, 則應尋求不同的封裝形式, 或者使用其他編號, 如 LM317 對應的 LT1085CT 或 LM337 對應的 LT1033CT, 就能夠提供 3A 的電流, 但仍為 TO-220 封裝 LM317 使用時, 如果 R2 並聯一個電容, 可以大幅提高抵抗漣波的能力並聯一個電容的同時, 您應該多加一個二極體, 使得電容放電時, 保護 LM 317 這樣的架構已經是相當優秀的穩壓器了! 最後, 想提出幾點供參考 : 1. 需要負電壓時, 可以使用 LM337

50 2. 使用時, 通常會加上逆向保護 " (1N4004)

Microsoft Word - 第1章導論

Microsoft Word - 第1章導論第 1 章導論研習完本章, 將學會 1. 電子元件 ---------------------------------------------01 2. 測量儀器 ---------------------------------------------04 3. 符號與代號 ---------------------------------------------07 4. 電阻 ---------------------------------------------09