D04二极体交流电路.ppt

Chapter 4 二極體交流電路 1 本章重點一覽 n4.1交流信號 週期信號 (弦波、方波) 非週期信號 n4.2傅立葉轉換 信號的轉換 n4.3限幅電路 限幅電路 n4.4 整流電路 半波整流電路 多頻信號產生器 2 本章重點一覽 n4.5 簡單交流對直流轉換電路 半波整流器 漣波電壓 n4.6 實用電源電路 電壓轉換單元 交流對直流轉換單元 穩壓單元 n4.7 結語 3 4.1 交流信號 n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 n週期信號(periodic signal)：相同波形不斷重 複出現的信號，如下圖4.1的弦波 nT：信號的週期(period)，每隔T時間便重複出現一基本波形 T A 0V 圖4.1 4 4.1 交流信號 n弦波的數學式為 nA：信號的振幅(amplitude) nf ： 頻率(frequency)，基本波形每秒鐘出現的個數，為週期 的倒數 n或表示為 nw：角頻率(angular frequency) 5 4.1 交流信號 n和弦波振幅相關的參數： Vmax = A，最大電壓。 Vmin = A，最小電壓。 Vpp = 2A，峰對峰電壓(peak-to-peak voltage)，表示它的波峰到波谷相差2A ，均方根電壓 (root-mean- square voltage) n交流電壓的大小通常以均方根電壓表示，例 如家用的110V交流電壓，實際振幅為156V 6 4.1 交流信號 n方波信號：另一常見的週期信號，波形見下 圖4.2 n在大部分的數位電路中，方波信號稱為時脈 信號(clock signal)，為電路動作的基準，其頻 率往往決定整個電路的運作速度。 T 圖4.2 7 4.1 交流信號 n非週期信號(non-periodic signal) ：波形雜亂 無章，無法像週期訊號可用簡單數學式表示 ，但可以透過傅立葉轉換(Fourier transform) 瞭解它們的特性 8 4.2 傅立葉轉換 n傅立葉(Fourier)發現弦波信號是數學界的基 本粒子，任何信號，不論週期或非週期，都 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T的週期信 號s(t)都可表示為 nw = 2/T n 和 ：由 s(t) 的波形決定 (4.2 ) 9 4.2 傅立葉轉換 n(4.2)式：傅立葉序列(Fourier series)，證明週 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 列表示。傅立葉證明任一非週期信號s(t)可用 積分形式表示為： n (4.3) 10 4.2 傅立葉轉換 n(4.3)式表示：任何非週期信號可以視為無數 弦波信號的積分所組成，振幅S(w)由s(t)的波 形決定 n由(4.2)和 (4.3)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 11 4.3 限幅電路 n限幅電路(limiter circuit) ：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 壓，造成電路工作不正常。利用二極體限幅 ，是積體電路(Integrated Circuit, IC)設計中 常用來保護電路的方法。 n右圖4.3即為限幅電路 n輸入信號 n假定外加電壓小於0.7V：截止狀態 n外加電壓高於0.7V：導通且維持導 通電壓VD(on) = 0.7V 圖4.3 Vo 0.7V R I s(t) 12 4.3 限幅電路 n下圖4.4： s(t) -0.7V：截止狀態 s(t) 0.7V：D1導通、D2截止 s(t) Va + 0.7V；D1導通、D2截止 s(t) = 0.7V：導通並維持 其端電壓為0.7V 限制Vo不小於0.7V n利用二極體的方向性整流， 將小於0.7V的部分截掉，僅 讓大於0.7V以上的信號通過 ，而其最高電壓為4.3V 圖4.7 Vo 4.3V R I s(t) 16 4.4 整流電路 n多頻信號產生器 (multiple frequency generator)：整流電路的另一個用途 。 n利用二極體方向性整流出來 的半波，根據傅立葉轉換 半波由各種頻率的弦波組成，在輸出端加上 濾波器(filter)，就可以濾出想要的頻率的信 號，如上圖4.8 圖4.8 Vo R s(t) 濾波 器 17 4.5 簡單交流對直流轉換 電路 n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 ，將交流信號轉變為直流電壓 n右圖4.9為簡單的交流 對直流轉換電路 n輸入信號：假設為20Vp-p的弦波 n假定一開始電容上無任何電荷， Vo = 0V，週而復始由10V上升到 10V，再下降至10V 圖4.9 Vo C s(t) VD 18 4.5 簡單交流對直流轉換 電路 ns(t) s(t) -10V：Vo = 9.3V 電壓開始下降，電流反向截 止狀態，電容無放電路徑， Vo 維持不變 Vo 維持9.3V的直流電壓，成功將交流信號 轉為直流電壓 圖4.9 Vo C s(t) VD 19 4.5 簡單交流對直流轉換 電路 n圖4.9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Vo無 法保持不變 Vo充至最大值Vmax後，電 容充電結束開始經由負載 放電，Vo逐漸下降；當輸 入電壓再度上升至大於Vo ，電容又充電至Vo = Vmax ，如此反覆進行下去，如 右圖4.11所示 Vo Vmax Vmin t T 圖4.11 20 4.5 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 Vo達到的最小值(Vmin )為 n：放電時間 n定義漣波電壓(Vripple )： 21 4.5 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， 即漣波電壓相對於Vmax 越小越好，因此定義 穩定度(stability factor)為： 22 4.6 實用電源電路 n將110V/60Hz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 電壓轉換單元 交流對直流轉換單元 穩壓單元 組合如下圖4.12所示： 電壓 轉換 單元 ACDC 轉換單 元 穩壓 單元 外接 電路 110V/60Hz 圖4.12 23 4.6 實用電源電路 電壓轉換單元電壓轉換單元 n通常作交流對直流轉換前需先降壓 ，因為 110V/60Hz交流電源的 ，但 實際的直流電壓通常遠低於156V n利用電阻分壓是最簡單的 降壓電路，如右圖4.13， 缺點是電阻會消耗大量功 率，因此並不實用 R1 R2 圖4.13 24 4.6 實用電源電路 n變壓器(transformer)(下圖4.14)，是實用的降 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 n變壓器輸入端： 初級端(primary terminal) n變壓器輸出端： 次級端(second ary terminal)。 n輸入/輸出電壓關係為： nN1與N2 ：初級端及次級端的線圈數 圖4.14 N1 ： N2 V1 V2 25 4.6 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 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 過熱而燒燬 n中間抽頭式變壓器 (center-tapped transformer) ，見右圖4.16，在次級端的 中心接一個端頭出來，有三 個接頭，是另一種形式的變 壓器 圖4.16 12V 110V/60Hz 1 3 0V 2 12V 26 4.6 實用電源電路 n中間抽頭式變壓器的次極端中心接地後： 由端點1,3及端點2,3，可得到兩個12V、振幅 相同但反相的弦波信號 由端點1,2，可得到 一個振幅為24V的 弦波信號 圖4.16 12V 110V/60Hz 1 3 0V 2 12V 27 4.6 實用電源電路 交流對直流轉換單元交流對直流轉換單元 n半波整流(half-wave rectifier) ：只在輸入信號 的正半週進行一次充電 ，右圖4.17為變壓器加 上半波整流器，利用二 極體及電容組成的交流 對直流轉換電路轉成直 流電壓 n整流器有負載時，輸出電壓會有漣波(ripple) 產生 圖4.17 110V/60Hz 110：12 V2CVo 28 4.6 實用電源電路 n經由數學推導，Vripple可簡化為： n電容量愈大， Vripple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 電荷所決定，所以電荷減少將造成電壓改變 ( 即漣波電壓) 29 4.6 實用電源電路 例 1. n應用圖4.18設計一個12V的直流電源，此電源 能提供100mA的電流給外接電路並使Vripple小 於0.1V。此外請估算二極體平均消耗的功率 及所承受的最大反向電壓(Peak Inverse Voltage, PIV)。 圖4.18 110V/60Hz C Io R Vo 30 4.6 實用電源電路 n全波整流(full-wave rectifier) ：電容在一個弦 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 ； 利用中間抽頭的變壓器及兩顆二極體組成， 如下圖4.19 n電阻R：外接電路的等效電阻 圖4.19 110V/60Hz C R D2 D1 31 4.6 實用電源電路 n中間抽頭式的變壓器兩輸出端信號反相 D1導通對電容充電時，D2於截止狀態； D2導通對電容充電時，D1於截止狀態 n在一個弦波信號週期內，電容有兩次充電機 會，放電間隔為： 漣波電壓為 是半波整流的一半 32 4.6 實用電源電路 例 2. n應用圖4.19同樣設計一個DC 12V的電源，此 電源能提供100mA的電流給外接電路並使 Vripple小於0.1V。 圖4.19 110V/60Hz C R D2 D1 33 4.6 實用電源電路 n橋式整流電路(bridge rectifier) ：利用兩端輸 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 圖4.20 110V/60 Hz C D2 D1 V2 D4 D3 Vo R 34 4.6 實用電源電路 n橋式整流電路的工作原理： ：D1、D4導通對電容充電 D2、D3處於截止狀態 ：D2、D3導通對電容充電 D1、D4處於截止狀態 ：四顆二極體皆於截止 狀態，電容經電阻放電。 n一個週期內，電容充電兩次，故漣波電壓 與全波整流電路相同 35 4.6 實用電源電路 例 3. n設計一個DC 12V的橋式整流電源，此電源能 提供100mA的電流給外接電路並使Vripple小於 0.1V。 圖4.20 110V/60 Hz C D2 D1 V2 D4 D3 Vo R 36 4.6 實用電源電路 穩壓單元穩壓單元 n為有效消除漣波，穩定輸出電壓，整流電路 之後會加上一個穩壓電路，通常是一顆穩壓 IC (ex. 7812 ) 或是一個複雜的穩壓電路 n78xx系列是常用的穩壓IC，其