七 Vcc 供電壓的認識
在真空管電路中,電源電壓通常有三種,即A電B電和C電。A電是供燈絲加熱用的,B電是實際之工作電壓,C電為偏壓用,但不一定需要獨立供應。
但在電晶體電路裡,差不多所有放大器均只用一種電源則有+Vcc和-Vcc之分。Vcc電壓和真空管的B電作用相似,但B電都是正電壓,所以又稱B+,而B-則指對地之零位電壓而言。因此,在電晶體電路中,該標+Vcc的地方改標B+是不很正確的。
在任何複雜的放大電路中,電源供電的情況可能都是很單純的,但是整個電路工作是否正常,我們卻很容易經由電源供電系統來測知大概的工作情況。
7.1 Vcc 電壓的獲得
Vcc電壓不管是正的,還是負的,獲得的方法通常有兩種,一是採用電池供電,是手提機中常用的方法,而在Hi-Fi電路裡,則通常由市電經變壓器降壓整流而獲得。
使用電池供電時,你必須切記,乾電池每一節的電壓大約是1.5伏,是故9福電池乃由6節小乾電池層積而成。22.5伏的儀表用電池則由15潔乾電池層積而成。鉛蓄電池(電瓶)不管是酸性或鹼性,每節通常為2V,12伏的電瓶便有六格。另外目前相當流行的銲鉛電池或水銀電池一節的電壓則僅1.2幅左右。如果你需要6伏的電壓,四節電池是不太夠的。
電源電壓獲得的另一種方法是用交流電來整流,關於整流電路,我們先得有以下認識:
7.2 峯值與雙峯值
或者大家可能有一個疑問,為什麼要有交流電呢?這問題主要是因為(1)發電機一發出來的電就是交流電,因為電樞在磁場中旋轉,一下是N一下是S,於是導線的兩端便交替地出現正負電壓; (2)交流電有一個好處,就是容易控制應用,不說別的,單就變壓器的運用而言,就使得交流電的電壓欲高則高欲低則低,而直流電就沒有這般如意了。
交流電通常有單相雙線的,也有單相三線的,其他還有三相三線乃至多相多線等。在日常運用中,自然以單向雙線和單相三線式為多。所謂單向雙線,是指有兩調電線,其中一條始終固定為零電壓(即接地),而另一條則相對於零電壓交替地出現正與負的電壓而言。
在附圖中我們可以看到110V市電壓的電壓波形:
由此,我們可以看到,雖然我們稱牆上的電插座電壓為110V,這是指有效的或實用的電壓而言的。實際上其中那條火線在一瞬間會高達+110V的1.41倍,而另一瞬間又低到-110V的1.41倍。因為電壓是隨實在變的,在實用上若以110伏x1.41倍的實際最高電壓來計算,並不實用,因此我們把尖端「削」掉,填到空隙裡去,並把110Vx1.41折到上面去,即成了:
這一切就剩下110V了。所以我們稱AC110V而不管其為正或負。
這是電力上的計算方法。
可是如果我們把交流電拿來整流,並經過電容器充電,情況就不這麼單純了。
首先,讓我們看一下這個電路:
圖中那個整流子只能通過火線中的正電壓,於是便出現了其下的波形,然後由於其後跨接了一個電容器,於是所有的電壓便儲存在電容器上,所以在電容器的兩端我們可以量出110Vx1.41伏的電壓出來,此值稱之為單峯值。
不過說到這裡,可能很多人會有一個誤會,也就是如果不接那個電容,那麼在整流子之後,豈不是剩下正向交流的脈動,像下圖那樣了嗎?
此種想法是完全不對的,因為整流子它雖是單向導電的東西,而實寄上卻必須一端有正電壓另一端有負電壓才能決定導通或不導通,在上圖裡面,整流子的一端根本就是開路,所以根本就不可能導電。此時你若用三用表或其他阻抗較高的表來量取上圖的電壓,甚至用示波器來觀察時,一方面沒有讀數另一方面也不會有波形出現。
此時你千萬別以為電路有什麼問題,而把三用表由100V接轉向50V、10V(沒有讀數)再繼續轉到2.5伏,說不定此時,表針就拍一下轉到底了。
為什麼有這種現象呢?又要如何才能使輸出端出現脈動的正電壓呢?就是在輸出端跨接一枚適量的電阻,這時整流子的另一端才會有對地電壓,而電流也能通過。
而剛剛你以三用表來量時,因為把電壓檔數一再降低,內阻也跟著降低,在某一限度時它突然開始。
7.3 雙峯整流
前面我們提到過,當交流電源經整流子整流到電容器充電後,會出現峯值電壓,事實上,此時我們只整取了交流電源中一半的電壓(即正半波)而已,負半波並未利用。因此,在必要時,負半波亦可用同樣的方法整出,接法如下圖:
此時輸出端一共出現了三個點,中間的一點是零,上面的一點為+110Vx1.41下面一點為-110Vx1.41但你又千萬別以為那兩個電容改成電阻後,也有同樣的情形出現。
這樣正負分別整流的方法,可以整出正負兩個直流電壓,而供給±Vcc之用。當然,以110伏交流直接整流,可能電壓太高或太低,不能適用,因此我們可以加上一個變壓器,將電壓變換之後再整流,如圖:
此時你若想用正負電源,便有正負各34伏的電壓,若只需用一組電源,則可以說+68V或-68V。
7.4 全波整流
以上所述,均為半波式的整流方法,除此之外我們還可以利用變壓器的抽頭來做全波整流,下圖就是一個典型的方式:
全波整流的原理,乃是把負半波哲反過來當作正半波使用,這樣一來,60Hz的電源,每秒鐘便有120個正半波被整流,於是電容器的充電率可以更高。在理論上,全波整流所用的電容器,容量可比半波整流小一倍。
除了變壓器的抽頭之外,亦可利用整流子的橋式連接,來達成全波整流的目的。
此橋式整流的原理,乃是利用任何一個交流瞬間均保持兩個整流子導通的作用來整流的,例如當AC為正半波時,D1及D2導通,向電容器充電,負半波時則D3 D4導通。如此一來,電容器負端之電壓相對於AC之零點而言自然是隨時在漂移的,但電容器兩端之相對電壓卻是固定的。
在橋式整流之中,如果需要正負兩組電源,就必須使用變壓器有抽頭,而做如下的連接法:
7.5 負載後之壓降與穩壓
現在我們已經知道,一個24伏的AC電壓經整流後,在店榮氣尚可能出現34伏左右的電壓,但是這是指只充電而不放電的情況。如果在整流電路之後,我們接上擴大機,換句話說就是接上負載,那麼電容器在充電的時候固然充電了,而不充電時,卻也要放電,因此在電容器兩端便出現了交流性的脈動,如圖:
這種脈動,我們稱之為紋波或漣波,紋波率是指總電源電壓和紋波電壓的比率。可以想到的,假如電壓愈高,紋波率相對的便會顯得小一點,因此在真空管擴大機中的濾波電容,我們通常只用到幾十或幾百uF,而電晶體擴大機卻要用到幾千或上萬uF,另外紋波的產生,也與負載的輕重有關,當電流大時紋波也繼續加大。
通常在前級的小信號電壓放大之中,由於用到的電流很小,同時屬於A類放大,電流變動率不大,所以加上1,000到2,000uF,就不會因紋波而出現哼聲。而在功率放大電路中,情況卻不太一樣。因為功率放大器多數近似B類的放大。B類放大的特性是,沒有輸出就不耗電,因此常無信號輸入時,你可能聽不到一點哼聲,可是一旦輸入信號加大,有了輸出後,用到電源的電流也增加,於是紋波出現了,這個紋波也出現在輸出之中。雖然輸出信號的聲音,是壓過紋波哼聲的,但已造成了失真。因此,在功率擴大機中,我們常把濾波電容加得很大。
在某些時候,很可能無限制地加大濾波電容,並無實質的意義。這時我們可以用一個很簡單的主動的反紋波電路解決這個問題:
欲瞭解這個電路時,可先看電晶體的特性。對一般的矽質晶體而言,由基極到射極間,始終要維持大約0.6伏的電壓,如果超過時,由集極到射極的電流便會大量增加,因此,假如我們能讓基極的電壓固定,顯然射極的電壓也可以維持相當程度的,在圖中我們看到了一個穩壓二極體,便是用來固定基極電壓用的。這就是一個基本的穩壓電路,其他更複雜的穩壓電路均由此形式而來。
關於穩壓電路一般說來,主要要求的有兩種不同的作用,第一就是輸出電壓不隨輸入電壓而變動。所謂輸入電壓的變動,不管是AC電壓的變動也好,整流後的紋波也好,均可做相等觀之。穩壓器的第二個作用是輸出電壓要能不隨負載電流。
差不多所有的穩壓器,均具有以上兩種作用,只是要求重點不一樣罷了。例如有某些電路只重紋波之防止,而管不到電壓的變動。
7.6 擴大機中直流電壓的分析
一個Vcc電壓被整流,濾波或穩壓出來之後,便要送到放大器的每一級上去。在真空管電路中,由於所用的電壓高,因此可以允許把B-(即零點)接到機殼上,稱之為共同接地端,而所有放大器之各級,則只要把B+送過去即可。可是由於電晶體的電壓低,以共同接地端輸送零電壓基準是不可靠的。正確的做法,應該和Vcc電壓一般單獨用一條線始終和Vcc電壓保持平行而相對的關係,輸送過去。這是配線上和圖上往往只畫一個接地符號不同之處。
現在,我們想舉一實例,來分析一下電源電壓在擴大機中實際分佈的狀況。附圖是本刊第22期58頁上的線路,由於本線路試製的人極多,因此我們特舉此例來說明之:
整流部份是一個全波橋式整流電路,假如AC是24伏,那麼TP2上相對於TP1必有34伏左右的電壓(AC 110是否正確110V?再加上兩個整流子的內部壓降約1.2伏,是我們必須說「左右」的原因)。由Q11及Q12所組成的電路,乃是兼具(1)Vcc上升延遲(2)反紋波(3)輕度穩壓三種作用的電路,實際上其穩壓作用必須在負載加大到一定程度後才產生。
Vcc電壓由Q11射極送進來之後,由集極送出,但集極會不會有電壓,卻受Q12所控制,而Q12則受C25所控制,因此假定Q11 Q12沒有接錯,也沒有燒壞,而輸出卻無電壓時,問題完全出在C25上。
就架構上而言,我們知道耳機放大器為一OTL電路,偏流由二個串連的二極體供應,但請特別注意的乃是由於射極電阻R41 42高達十歐姆,因此有限制靜止電流的作用。所以在沒有信號輸入的情況之下,靜止電流並不會很大。如到此處之電壓已低落到20伏,那麼不是Q11 Q12有問題,就是耳機放大有問題。
自TP4以後的電路分析比較容易而正確。在這前面一共有三級放大器,此三級放大器個別所需電流大約可由輸出電阻求出。以Q7 Q8而言,雖然電路很複雜,而實際上大約95%以上的電流均經Q8及R35而入地。而我們對Q8射極電壓的要求是½Vcc,設TP4之電壓為26伏則½Vcc為13伏,換句話說Q8分了13伏,R35也分了13伏,R36之值為已知(3.3K),且Q8之電流弊由R36流出落地,所以這級的電流為½Vcc/3.3K=4mA。兩聲道為8mA。
設Q7以前的電路全部未接,那麼流經RA之電流為8mA,而R4之壓降可由其阻值(設為470歐姆)求出,亦即0.008x470=3.8伏。也就是說TP3如為29伏時,TP4應為29-3.8伏=25.2伏(與前面設計有差,請自行修正)。
同樣的Q4 Q5 Q6之電流可由R24+R18求出,Q1 Q2 Q3則由R13求出。有了電流之後便容易求出各點的電壓了。
但必須特別注意的是Q4 Q5 Q6接入之後,其電流要加在RA之上,RA的壓降會更大。這問題,想來也許很複雜,其實只要想通了也沒有什麼困難,下圖是整個電流的線路圖,可供各位參考。
轉載音響技術第27期 MAR. 1978 讀圖●識圖●改圖 7/非君子
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