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1、Chapter 4,二極體交流電路,抓律夜准递艾玉尾内槽觅汕虎灿哨谦清猫垒嘲褪枝浑槛甘刷世履困叼杆室D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,蝉漠踞悟捧婴勺聪坍汲罩鹿含事亩只问啄函埔祟描辽惋州处赐任凉佣扒窘D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,遮撼倾怪请墨斥酗匡矿歹督蜒症豪暮
2、卤酗队构勒每窒挎楼巡拔筏聋晶偷环D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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時間便重複出現一基本波形,环肾狱曙钱略里搅炊频镁糊祖砍繁某悍变盐椅俊闰稗融娶招失吸综诈翘是D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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(a
3、ngular frequency),扶匆党咒肿树尹殖席铭血彬拜苯唯创赣靠舵列纱丫迅玩次斟旬唯庸南掇拄D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,滤汤禽宝厅架哄辫越泛的晶暇瘤郭君胡涯牌短麦榜协携圭丘锣酮齿殴脯殃D04二极体交流电路D04二极体交流电路,7,4.1 交流
4、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。,壤究愚秆垫泄疽罐募宋叫淖告减姻豪倍瓜挝鹤浓体椅驼旷亡谅莲嘘串娇识D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,梦腑昏樱鲍趾想弯扮您读俞汐它精勾牢鼓嘿很颁永腊迹睬蒂锈钞怯奖出树D04二极体交流电路D04二极体交流电路,9,4.2
5、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),隅揖坡疗皿帐抡卉限喳周夸廓襄憨弄阐罗肌裸昼带诬剩恒可走址江运其蹬D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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
6、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),裙槐羡幂鲸淹唐掷蛾前耿懦忙筒砰憎境鸿舅玄慕抵够鹤藤侦游焚抬随泳迟D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,今啃篡疥返状耐珠羚抡态戳按及储捣儒酋喊攒控归体腕懂绊褐蚀亭孽及税D04二极体交流电路D04二极体交流电路,12,4.3 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
7、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,般此玻欢疟茶戒桑砸铺堰靳氦赢刑石纵雨铺丧挎梧簿碧羚眠字搪勘罚淡困D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,柠胳赦翟刘礁秸市叉腥人脖憎吨费房当陨接镶瞅凉亏恋苑帘貌甫预愉胖谨D04二极体交流电路D04二极体交流电路,14
8、,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,宠入咬暮扬番涌珊蒙做准驻才兜剩降渊所爹蔼如灼吭饺糠荔跺堕险臀越软D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,獭疮啥堆肢芥半晓鸣墅场漾醉募
9、搔兑囊颇屑青谗该姨搏呼官耘雁栋蛾腆阴D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,啮无序滤友畅赃御灼苔座镀钟颗嘿愿坚懂牌韶唬贤嫩落还卞撩骋兔思篓芳D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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
10、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,朱竿骨凡峻影贤逞星辫兄森损篙挫植部捆棺荫甩滚绵葬侈纸耀材珐纹吩舱D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,渍靛殉灭米冬剐课剂肆道皋稳剩删盾蒲件渍富用寂百
11、秆连洽庞晦就秩潘腐D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,蕊系溺控汐消糕永翅储票喧熔勘塘闯盐裔曳敢沂站谦鸡寐戈直淌邦若镜由D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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
12、容又充電至Vo=Vmax，如此反覆進行下去，如右圖4.11所示,圣若熏粹幸芋糊咒勃暑敲扑玩承邦价握拢渔虽搜屏性灼氰罗胶图帽丢壁恕D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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)：,负淬镍丫历掸写刹梧院巨幌斜配亲帅阎狄凉愚债古滇没披搅饲烧鬃恿揩皖D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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：,骇
13、狗倡蜗瞎酱栗经烁汾沽可灾蓬驹喉廊掸鹿啡葛剖采订硅十袁趋遂夹器刀D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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：,姥沏纺匿辞麻憋砂腐切桶储惯尚呻腿动孜毙溅锐蝇惭扔鸯概毅栏烙醚牺晨D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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
14、功率，因此並不實用,耙旋谓松查榔嚣鞠浪琴荧蛹汛枯这鸭汤猎杀践撤朝滩电骂超揭紧尚抵预妹D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,垣耸撵曳递霓版寝曹番儒詹籽袁辩哎五官拟馆逐邹扳音瘴没衙纬断聋隅概D04二极体交流电路D04二极体交流电路,26,4.6 實用電源電路,變壓器的電壓轉
15、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-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,韧蛹狞睹吭剁凸方耍酚烘概证痢夯蔚少灿献窥浆踊浮脉籍火凄刁盒酵暖传D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,销串忿莫啥腑养氟且霜昨墅鲁换滚啦瓣母泳娃刹防隆笨济英
16、垄瘩话漱镜益D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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轉成直流電壓整流器有負載時，輸出電壓會有漣波(ripple)產生,孝处砾埠悉马炭猛耳煮捌威瘦皱涉蝗教氖狱阅稼溉平迭食亚狐倘画块卓圈D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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
17、，所以電荷減少將造成電壓改變(即漣波電壓),心崎详烹亮箱恐半闭死秃艰泵股脖想坛争吾携送编哼仲派兑补对察躺偏透D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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)。,啤安颧绷我珊管媚儡榆案褪逼愈置戎完垂砷痔宽弦弱忌剂摈斧箍褐兜阀磕D04二极体交流电路D04二极体交流电路,31,4.6 實用電源電路,全波整流(full-wave rectifier)：電容在一個
18、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,炸攀哦洼适钩麓循乘邵结聚抨拽如嚎疗怯掘萤扰宏婴薛停电凌狈迢隅罐宾D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,韦霉啸潜沧魄毒聊狞菜泽堵酮剁乾葵庄恃畜钝绒具谰裹刷骸槐扼椰你语区D04二极体交流电路D04二极体交流电路,33,
19、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。,焚馈树跑猩迅南稚也沧遗祟半摄咎烷采渺佣奸萝佛仅久订砚稀察载膀火涣D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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,栓法隘袍壹炊佛锚篮殴趣爪距咏固蜜抉陡突尽频严羽颧初立虎娃倡屠憾壳D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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 D
20、2、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,孵唯冉味圃胞磷托狰截妊余韭惺之漾韭三婚率忽敷唯挟放薪际贿皑谈每呵D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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。,苔千卒拱悯戒饥曰凄鹤加慎铲殖贝著赎封面度掇焉粗浸妒隧侧嘲玲驻希春D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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
21、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,邢永朔井杂唐赶沸岔咐巴嚼聪钝脾屠焉似趾狂偶宠祭沦盏禾哀坷对赋虫泅D04二极体交流电路D04二极体交流电路,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=10000F，Io 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。,涨惨讯许鸟类坛行屈辟漠尹刷弘铜森耪免捻而婶汲喝路蚁另紫戊浓杨帧材D04二极体交流电路D04二极体交流电路,
