D04二极体交流电路.ppt

Chapter4 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 periodicsignal 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 angularfrequency 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 Vp p 2A 峰對峰電壓 peak to peakvoltage 表示它的波峰到波谷相差2A 均方根電壓 root mean squarevoltage 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 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 clocksignal 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 periodicsignal 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 Fouriertransform 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 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 Fourierseries 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 3限幅電路 限幅電路 limitercircuit 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 IntegratedCircuit 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 7V 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 waverectifier 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 multiplefrequencygenerator 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 ACtoDCconverter 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20Vp 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 stabilityfactor 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 primaryterminal 變壓器輸出端 次級端 secondaryterminal 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 tappedtransformer 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 waverectifier 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 PeakInverseVoltage PIV 31 4 6實用電源電路 全波整流 full waverectifier 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DC12V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 bridgerectifier 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DC12V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78xx系列是常用的穩壓IC 其最後兩位數即表示輸出電壓下圖為包含變壓 整流 穩壓單元的實用電源電路 38 4 6實用電源電路 例4 圖4 21中假如7812穩壓IC能將其輸入端的漣波電壓降低100倍 假若C 10000 F I o Io 100mA 請估算穩壓IC本身消耗的功率及其輸出端的漣波電壓