What's fun in EE 臺大電機系科普系列 如何掌握看不見的電 直流電源轉換的方法 陳耀銘 國立臺灣大學電機工程學系副教授 楔子 電能 是各式各樣的能量形式中 最容易被傳輸與轉換 也最容易被人類所 使用的一種能量來源 生活周遭很多物品都是以電能作為其能量的來源 所以 我 們常聽到 這個東西 要插電 或是 噯呷電 台語 甚至 也常常用 電 來 形容一個人的精神狀態 如 這位小朋友已經玩到沒電了 或是 工作太累了 我需要充電 這些都是相當傳神的描述 電能的來源 以下 簡稱電源 依其產生電流方式的不同 可分成直流 Direct Current 簡稱 DC 與交流 Alternating Current 簡稱 AC 兩類 DC 電源所產生 的電流為單一方向 而 AC 電源則產生具有往返雙方向的電流 如果沒有特別說 明 一般所稱的電源 指的是能夠產生特定形式與特定大小的 電壓源 例如台電 所提供的電源為 110 伏特 AC 電源 汽車用的蓄電池則是 12 伏特 DC 電源 至於這 些電源能夠提供多少電流呢 就得視情況而定 不過 一般而言 只要不超出電源 本身的電流提供能力限制 電源的輸出電流是由負載 Load 所決定的 例如一般 家庭用的電源是 AC 110 伏特 不管是點亮幾盞電燈 電源電壓依然維持 AC 110 伏 特 但其所提供的電流大小則隨著點亮電燈數量的增多而變大 既然不同的電源有電壓大小不同的差異 那麼吸收電能的負載可以適用於任何一種電源 嗎 當然不行 你知道電腦的 CPU 若直接施予 AC 110 伏特的市電之後會發生什麼事嗎? 千萬 不要試 因為會 爆炸 哦 這就是為何每台 圖一 電源轉換器扮演電能傳遞的角色 電腦裡面都必須要有電源供應器的原因 市電的 AC 電源必須經過適當 轉換 才 能符合負載的電壓需求 正確供給電能予負載 圖一很簡單地表示出電源 電源轉 換器 負載等三者之間的關聯 電能轉換器的輸入端與電源相接 輸出端與負載相 接 功能就是將電源的電壓形式與大小 轉換成符合負載需求的形式與大小 臺灣大學電機工程學系 10617 台北市 大安區 羅斯福路四段 一號 Email: dept@cc.ee.ntu.edu.tw http://www.ee.ntu.edu.tw/
AC DC / AC-AC DC-DC AC-DC DC-AC AC-AC DC-DC AC AC Transformer AC DC AC AC DC? AC DC DC Voltage V Volt V V Q JV = J / Q Current I Ampere A AsQA = Q / s Power P Watt W WsJ W = J / s P = V x I V I P (a)(b) P 1 = P 2 (a) (b) V 1 > V 2 (a) (b)
DC Voltage Division R 1 R 1 V 1 V 2 V 1 V 2 = R 1 R 2 12V 5V R 1 R 1 R 2 = 7 5 R 1 7 5 R 1 = 7Ω = 5Ω R 1 = 700Ω = 500ΩOhm s Law12V 1A 12V 0.01A 12V P 1 = 12V x 1A = 12W P 2 = 12V x 0.01A = 0.12W 12V R 1? 10 100 12V 2 7 5 7 5
R 1 = 7 x 10 10 Ω R 2 = 5 x 10 10 Ω 12V I = 12V / 12 x 10 10 Ω = 1 x 10 10 A V 2 5V V in = 12V V out = 5V V out R 1 120V 60W R L = 2 Ω AB V out R L R L Current Division R L R L R L R L DC Kirchoff s Voltage Law X-box V in = V x + V out X-box 7V V in = 12V V out = 5V AB I out 12V DC I in DC V in I in 15V X-box 7V V x 5V I out R load V out X-box CD X-box Linearity X-box DC A B X-box X-box X-box
Efficiency P out P in % V in = 12V V out = 5V E ff = 41.67% 41.67% 58.33% Switching Mode S-box S-box S-box 0 S-box V out 1 S-box DC S-box V out V in I V in S-box 0 or 1 V out S-box A R load B I out S-box 0 S-box 1 S-box 0 1 P S-box S-box 100% S-box
S-box S-box 0 1 S-box Switching Loss S-box 0 1 V out S-box 0 1 Period T s 1 t 1 0 t 2 T s = t 1 + t 2 V out (1) t 1 /T s Duty Ratio 1 d 0 d 1 (1) (2) d V out Pulse t 1 V out d t 1 Pulse Width Modulation PWM d d
DC DC DC X-box X-box X-box X-box X-box X-box X-box S-box (2) d 1 Inductor SW1 DC SW2 SW1 SW2 PWM