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篇名 二極體之整流電路 作者 石憲傑 國立澎湖海事職業學校 資訊科二年甲班 林依穎 國立澎湖海事職業學校 資訊科二年甲班 朱珊儀 國立澎湖海事職業學校 資訊科二年甲班 第 1 頁

壹 前言 目前所有半導體之電子電路及電子裝置, 如 CD 音響 收音機 行動電話 GPS MP3 手錶 計算機... 等等, 若欲正常工作則必須先供應它們直流電源, 才能讓它們活動起來 一般攜帶型電子裝置, 其直流供應系統都採用乾電池或充電式鋰電池, 都是使用整流電路轉直流而成的 而在我們二年級上學期時, 在課程中有學到二極體的應用, 內容有整流電路之半波 全波 橋式整流電路, 因此對此感到越來越有興趣, 在與老師的討論之下, 證實小論文的可行性, 並實習整流電路實際操作 貳 正文 一 討論目的 (1). 了解半波整流電路的工作原理和特性 (2). 了解全波整流電路的工作原理和特性 (3). 了解橋式整流電路的工作原理和特性 二 二極體之介紹 (1) 什麼是二極體? 電子元件當中, 二極體是一種具有兩個電極的裝置 二極體有兩個主要的電極可以使想要的訊號通過, 大部分的使用上是應用其整流的功能 而變容二極體 varicap diode 則用來當作電子式的可調電容器 大部分二極體所具備的電流方向性我們通常稱之為 整流 rectifying 功能 二極體最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過 ( 稱為順向偏壓 ), 反向時阻斷 ( 稱為逆向偏壓 ) 因此, 二極體可以想成電子版的逆止閥 然而實際上二極體並不會表現出如此完美的開與關的方向性, 而是較為複雜的非線性電子特徵 這是由特定類型的二極體技術決定的 二極體使用上除了用做開關的方式之外還有很多其他的功能 現今最普遍的二極體大多是使用半導體材料如矽或鍺 第 2 頁

(2) 二極體的功用 二極體最常見的功能就是整流, 二極體具有陽極和陰極兩個端子, 電流只能往單一方向流動 也就是說, 電流可以從陽極流向陰極, 不能從陰極流向陽極 ( 單向性 ) 這種作用就被稱之為整流作用, 大部份應用在一般家用電器的電源供應器上 正向偏壓 (forward bias) 正向偏壓時的 PN 结二極體二極體的陽極側施加正電壓, 陰極側施加負電壓, 這樣就稱為正向偏置, 所加電壓為順向偏壓 如此 N 型半導體被注入電子,P 型半導體被注入電洞 這樣一來, 讓多數載流子過剩, 空乏層縮小 消滅, 正流子在 PN 接合部附近結合並消滅 整體來看, 電子從陰極流向陽極 ( 電流則是由陽極流向陰極 ) 在這個區域, 電流隨著偏壓的增加也急遽地增加 伴隨著電子與電洞的再結合, 兩者所帶有的能量轉變為熱 ( 和光 ) 的形式被放出 能讓正向電流通過的必要電壓被稱為開啟電壓, 特定正向電流下二極管兩端的電壓稱為正向壓降 反向偏壓 (reverse bias) 反向偏壓時的 PN 結二極體在陽極側施加相對陰極負的電壓, 就是反向偏壓, 所加電壓為逆向偏壓 這種情況下, 因為 N 型區域被注入電洞,P 型區域被注入電子, 兩個區域內的主要載流子都變為不足, 因此結合部位的空乏層變得更寬, 內部的靜電場也更強, 擴散電位也跟著變大 這個擴散電位與外部施加的電壓互相抵銷, 讓反向的電流更難以通過 意思就是當二極體加上順向電壓時, 那麼電流就可通過二極體 反之, 若二極體加上逆向電壓時, 那麼電流就不可以通過二極體! 而大多數的二極體是由 P 型和 N 型的半導體材料所製成的 所以在製作電源供應器時, 二極體是必要的零件之一 所以當在選用二極體時, 需要考慮耐壓和最大承受的順向電流 第 3 頁

(3) 使用二極體時必須考慮兩方面額定值 : 1. 順向耐流 :I F ( 二極體最大順向電流出現在正弦波的 90 ) 2. 逆向耐壓 :PIV( 二極體的最大逆向電壓出現在正弦波的 270 ) 3. 多個二極體並聯連接使用可以增加順向耐流 4. 多個二極體串聯連接使用可以增加逆向偏壓 三 整流電路的簡介 依整流器導通的情形, 可分類為半波整流與全波整流, 前者只有正或負的訊號可以通過, 後者則無論正或負都可通過, 但正 負訊號其中有一者將會以反相形式通過 A 半波整流器 半波整流器的電路是由一變壓器和一單向導通的二極體組成的 而其中的變壓器是用來改變交流電壓的大小, 另二極體則被視為開關 所以當二極體加上順向電壓時, 那麼二極體就會呈現開 ( ON), 因此讓電流通過 但是相反地, 若二極體加上逆向電壓時, 那麼二極體就會呈現關 (OFF), 因此不會讓電流通過, 如圖 1 導通 等於 不通 等於 圖 1 二極體於正 負半週時的導通 截止情形 第 4 頁

B 全波整流器 因半波整流器有半週期是不導電的, 而全波整流器則是利用另一個路徑將不導電的半週期也可導電, 並且在的電流方向和另一半週期皆為相同 如圖 2 D2 截止 D2 導通 等於 等於 圖 2 左正半週時二極體 ( 上 ) 導通, 負半週時二極體 D2( 下 ) 導通 而全波整流器的電路可為二種, 一種是利用輸出線圈中有接線的變壓器 另一種則是利用橋式整流電路 但不管是半波整流器或全波整流器的輸出電壓都含有很大的波動部份, 所以並不適合用作一般電子電路的直流電源 可利用電容構成的濾波器來濾掉大部份的波動 C 整流電路優缺點 (1) 半波 : 優點 : 這種整流方式多半使用於消耗電流低, 但是效率低 第 5 頁

缺點 : 負半週沒有使用到, 多浪費了一個半波, 因此使效率變低 (2) 全波 ( 中心抽頭式 ): 優點 : 改善了半波整流之低效率 缺點 : 1. 變壓器本身限制必須具有兩組電二次線圈 體積大 成本高 2. 每個二極體之 PIV 值必須 2Vm 才耐的住, 增加二極體之成本 (3) 全波 ( 橋式整流 ): 優點 : 1. 每個二極體之 PIV 值僅為一倍 Vm 2. 只需一組二次線圈, 可使變壓器體積縮小, 成本低 缺點 : 1. 共四個二極體組成, 比中心抽頭式多了二個二極體 2. 輸出電壓振幅, 各扣掉兩倍障壁電壓 四 整流之特性比較 半波整流中心抽頭式橋式 二極體數目 1 2 4 PIV 純電阻 :1 V m 有電容器 :2 V m 2 個全部 2 V m 4 個全部 V m 輸出波形 輸出週期 1/60 秒 1/120 秒 漣波頻率 f o f i (60Hz) 2f i (120Hz) 平均值 1/πV m =0.318 V m 2/πV m =0.636 V m 有效值 1/2V m =0.5 V m 1/ 2 V m =0.707 V m 漣波有效值 0.385 V m 0.308 V m 漣波因數 121% 48.3% 第 6 頁

五 實作成果 實驗材料表 名稱 規格 數量 備註 小型電源電壓器 PT12 1 二極體 1N4001~1N4007 任一編號皆可 4 電阻器 1kΩ 1/4W 1 棕黑紅金 電源線 125V 6A 1 PVC 單心線 0.6mmψ, 鍍錫 若干 一 探討半波整流電路之特性 1. 裝妥圖 3 之半波整流電路, 然後接上 AC110V 電源變壓器 二極體 110V 6V AC 110V 電源 R1 1k 0V 0V 圖 3 半波整流電路 電壓 時間 圖 4 輸入波形 第 7 頁

2. 以三用電表之 ACV 檔測得變壓器二次側之電壓 V AC =5V 3. 以三用電表之 DCV 檔測得 R L 兩端之直流電壓 V DC =2V 4. 上述測試值 V DC /V AC =0.4 5. 實作電路, 如圖 5 圖 5 半波整流實作電路 第 8 頁

6. 以示波器測量 R L 兩端之 V DC 之波形為圖 6 圖 6 半波整流電路之輸出波形 7. 由此波形得知 V DC =60Hz 垂直 = 5V/DIV 水平 = 5ms/DIV 二 探討全波整流電路之特性 1. 裝妥圖 7 之全波整流電路, 然後接上 AC110V 110V 12V AC 110V 電源 6V R1 1k 0V 0V 圖 7 全波之中心抽頭電路 第 9 頁

電壓 時間 圖 8 輸入波形 2. 以三用電表 ACV 檔量得 V AC1 = 5 V,V AC2 =5 V V AC1 = V AC2 3. 以三用電表之 DCV 檔測得兩端之直流電壓 V DC = 4 V 4.V DC / V AC1 = V DC / V AC2 = 4/5 5. 實作電路, 如圖 9 圖 9 全波之中心抽頭實作電路 第 10 頁

6. 以示波器測量 R L 兩端之 V DC 之波形為圖 10 圖 10 中心抽頭電路之輸出波形垂直 = 5V/DIV 水平 = 5ms/DIV 7. 由此波形得知 V DC =120H 三 探討橋式整流電路之特性 1. 裝妥圖 11 之橋式整流電路, 然後接上 AC110V 電源變壓器 110V 6V 1 AC 110V 電源 4 2 0V 0V 3 R1 1k 圖 11 全波之橋式整流電路 第 11 頁

電壓 時間 圖 12 輸入波形 2. 以三用電表之 ACV 檔測得 V AC =5 V 3. 以三用電表之 DCV 檔測得 R L 兩端之直流電壓 V DC = 4 V 4.V DC /V AC =4/5 5. 實作電路, 如圖 13 圖 13 全波之橋式整流實作電路 第 12 頁

6. 以示波器測量 R L 兩端之 V DC 之波形為圖 14 圖 14 橋式整流電路之輸出波形垂直 = 5V/DIV 水平 = 5ms/DIV 7. 由此波形得知 V DC =120Hz 參 結論 我們花了一接時間接電路 作測試, 終於做完這個實驗, 了解到正半 負半週面積互相抵消掉, 全週完整之正弦波的平均值 (Vav=Vdc) 是零伏特, 故必須使用整流電路, 才能得到直流電壓可用, 因此他的實用性, 以及帶來便利性, 即使從半波整流到全波整流 ( 中心抽頭式 ) 有缺點, 人類卻不斷的改進, 使科技不斷進步, 想出橋式整流, 改善了中心抽頭式的缺陷, 讓我們的生活產生了更多的便利性, 我們深信在不久之後一定會有人或者是我們這一代來改善橋式整流呢! 肆 引註資料 http://score.ptivs.ptc.edu.tw/chenjy/electrn/electrn6.htm http://www.keces.com.tw/1_basic/c0209001/c0209001.htm 第 13 頁

http://www.electron.com.tw/products2.htm http://zh.wikipedia.org/wiki/%e4%ba%8c%e6%a5%b5%e9%ab%94 基本電學 I 作者 : 林政煌 范盛祺 孫炳陽 高瑞賢 黃尚煜 簡瑞峯 全華 電子學 I 作者 : 王金松 全華 電子學實習 I 作者 : 蔡朝洋 蔡承佑 第 14 頁