D04_二极体交流电路.ppt

1、Chapter 4,二極體交流電路,2,本章重點一覽,4.1交流信號 週期信號 (弦波、方波) 非週期信號 4.2傅立葉轉換 信號的轉換 4.3限幅電路 限幅電路 4.4 整流電路 半波整流電路 多頻信號產生器,3,本章重點一覽,4.5 簡單交流對直流轉換電路 半波整流器 漣波電壓 4.6 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 4.7 結語,4,4.1交流信號,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 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 T：信號的週期(period)，每隔T時間便重

2、複出現一基本波形,5,4.1 交流信號,弦波的數學式為 A：信號的振幅(amplitude) f ： 頻率(frequency)，基本波形每秒鐘出現的個數，為週期 的倒數 或表示為 w：角頻率(angular frequency),6,4.1 交流信號,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) 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,7,4

3、.1 交流信號,方波信號：另一常見的週期信號，波形見下圖4.2 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。,8,4.1 交流信號,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,9,4.2 傅立葉轉換,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 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 w = 2

4、/T 和 ：由 s(t) 的波形決定,.(4.2),10,4.2 傅立葉轉換,(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 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：,.(4.3),11,4.2 傅立葉轉換,(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 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,12,4

5、.3 限幅電路,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。 右圖4.3即為限幅電路 輸入信號 假定外加電壓小於0.7V：截止狀態 外加電壓高於0.7V：導通且維持導通電壓VD(on) = 0.7V,13,4.3 限幅電路,下圖4.4：s(t) -0.7V：截止狀態s(t) = -0.7V：導通狀態，限制Vo大於0.7V,14,4.3 限幅電路,右圖4.5：s(t) 0.7V：D1導通、D2截止 s(t) -0.7

6、V：D2導通、D1 截止-0.7V s(t) 0.7V：D1/D2皆截 止，Vo = s(t) 限制Vo在0.7V及0.7V之間,15,4.3 限幅電路,右圖4.6： s(t) Va + 0.7V；D1導通、D2截止 s(t) (Vb+0.7V) ：D2導通、D1截止(Vb+0.7V) s(t) (Va+0.7V) ：D1/D2皆截止，Vo = s(t) 限制Vo在(Vb + 0.7V)及(Va + 0.7V)之間,16,4.4 整流電路,半波整流電路(half-wave rectifier) 見下圖4.7s(t) = 0.7V：導通並維持其端電壓為0.7V 限制Vo不小於0.7V 利用二極體

7、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,17,4.4 整流電路,多頻信號產生器 (multiple frequency generator)：整流電路的另一個用途 。 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4.8,18,4.5 簡單交流對直流轉換 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，將交流信號轉變為直流電壓 右圖4.9為簡單的交流對直流轉換電路 輸入信號：假設為20V

8、p-p的弦波 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,19,4.5 簡單交流對直流轉換 電路,s(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,20,4.5 簡單交流對直流轉換 電路,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

9、右圖4.11所示,21,4.5 簡單交流對直流轉換 電路,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 ：放電時間 定義漣波電壓(Vripple )：,22,4.5 簡單交流對直流轉換 電路,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：,23,4.6 實用電源電路,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：,24,4.6 實用電源電路,電壓轉換單元 通常作交流對直流轉換前需先降

10、壓 ，因為110V/60Hz交流電源的 ，但實際的直流電壓通常遠低於156V 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,25,4.6 實用電源電路,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 變壓器輸入端：初級端(primary terminal) 變壓器輸出端：次級端(second ary terminal)。 輸入/輸出電壓關係為： N1與N2 ：初級端及次級端的線圈數,26,4.6 實用電源電路,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

11、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 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,27,4.6 實用電源電路,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,28,4.6 實用電源電路,交流對直流轉換單元 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

12、轉成直流電壓 整流器有負載時，輸出電壓會有漣波(ripple)產生,29,4.6 實用電源電路,經由數學推導，Vripple可簡化為： 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),30,4.6 實用電源電路,例 1. 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)。,31,4.6 實用電源電路,全波整流(full-wave r

13、ectifier) ：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 電阻R：外接電路的等效電阻,32,4.6 實用電源電路,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 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,33,4.6 實用電源電路,例 2. 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。,34,4.6 實用電源電路,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,35,4.6 實用電源電路,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。 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,36,4.6 實用電源電路,例 3. 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。,37,4.6 實用電源電路,穩壓單元 為