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2-1 如何變交流電為直流電

  電源供應器中之電源變壓器已經在前面詳述過了。電源變壓器不論是作為升壓用(輸出電壓高於輸入電壓)或降壓用(輸出電壓低於輸入電壓),其輸出電壓都是一種正弦波式交流電壓。但電源供應器的輸出電壓多屬直流電壓,如要得到直流電壓,則須將交流電壓變為直流電壓,這種將交流電轉變為直流電的過程較作「整流」(rectification)。所用的裝置叫做「整流器」(rectifier),而電路叫做「整流器電路」(rectifier circuits)。過去常採用交直流發電機組作為整流器來獲得直流電。這種設備有許多缺點,如設備笨重、結構複雜、維修困難、噪聲太大等。

  交流電與直流電是互相對立的。我們可以創造一定的條件使它們之間互相轉化。如何把交流電變為直流電,最簡單方便的方法就是使用整流器。整流器是一種只許電流由一個方向通過的設備。在它通電方向,它的作用好像導體,在它不通電方向,它的作用好像絕緣體。所以當整流器接在交流電路中,交流電壓的某一半週使電流在整流器導電的方向流通,在另一半週,電流被整流器阻止,無法流通;結果在簡單的整流器電路中,電流是單方向的脈衝直流電,而非穩定的直流電。也就是說直流電的輸出並不是一種固定電壓,它隨交流電壓的輸入隨時升降。當僅有交流輸入電壓的正半週能通過整流器而負半週完全被阻止不得通過,或者是相反,只有負半週能通過,而正半週完全被阻止不得通過,這種方式的過程叫做「半波整流」(half-wave rectification),如圖2-1所示。當輸入電壓的正半週通過整流器,負半週亦能通過變成正半週,或負半週通過整流器,正半週亦能通過變成負半週,這種方式的過程叫做「全波整流」(full-wave rectifier)。如圖2-2所示。

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2-2 有哪幾種整流器元件

  廣義的說,整流器全部設備,除了整流器元件本身以外,還包括電源變壓器、濾波器、及負載電阻。在這裡所要專題討論者為整流器元件本身。

  常用的整流器元件之形式與種類相當繁多,當然,它們的性能與用途也各有不同。歸納起來,約略可分為三大類: 金屬整流器、真空管整流器、及固態晶體整流器。由其是利用晶體二極體的單向導電性實現整流是一種簡便易行的方法。大功率的矽二極體和矽控整流器已在工業上得到廣泛之應用,並顯示出很大的優越性,特別是在節約用電方面。

  茲將上述三類整流器元件分別說明如下:

(1) 金屬整流器

  當兩種特殊金屬壓在一起形成一接合體,這種組合有整流器的作用,對某一方向電流的電阻很小,但對相反方向電流的電阻卻相當大。這種作用是由於組合物質的化學特性所致。常作整流器用的組合金屬是銅與氧化銅,貨是鐵和硒。金屬整流器的結構成圓盤板狀,其直徑由小於半吋到大於六吋,氧化銅整流器是屬於銅圓板,其一邊塗有一層氧化銅。硒整流器是鐵圓板,一邊塗硒。圓板普通作成墊圈型,安裝在一個螺栓裝置上,按照電壓或電流需要的不同,用串聯組合或並聯組合組成一個整流器單位,如圖2-3所示。

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圖2-4所示為代表任何金屬整流器的符號。由於這類整流器在電子學說決定電流方向以前已經使用。所以其代表符號的箭頭是指慣用的電流方向,與實際電子流動方向相反。因此,箭頭的反方向是根據電子學所採用的電流方向。每個金屬整流器的元件在它的接頭上僅能耐少數伏特電壓,如將幾個元件串聯堆疊,它的額定電壓就可增高。同理,每個元件亦僅能通過有限的電流,如將幾個串聯堆疊的再並聯起來,就可以通過較大的電流。

  金屬整流器非常堅固,壽命極長。每個單位的額定電壓頗低,而要將太多元件串聯起來,在實際上亦頗難辦到,它們常用低壓整流(低於130伏特)。用並聯方法,或增加圓板的直徑,可增加電流數至幾個安培,所以這種整流器常用在低電壓大電流應用方面。用直流伏特表來測量交流電壓常用的小整流器。大的整流器則用在電池充電或電子設備中的各種電源供應器。電表中的整流器常用氧化銅整流器,一般電源供應器的整流器常用硒整流器。

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(2) 真空管式整流器

  電源供應器電路中常用另一型式的整流器,這種整流器就是二極真空管。在電子學的領域中,二極管除了作整流器外,尚有很多用途。當二極真空管用作整流器時,其作用與金屬整流器相似,及當電流在某一定方向流動時,二極管的作用像導體一樣,當電流方向相反時,則又像一個絕緣體。二極真空管直接控制電流的部分,有放射電子的加熱元件叫作陰極,在陰極周圍成圓筒形屏板的元件是屏極。當屏極荷正電時它可吸引電子。音極由電阻絲製成的加熱器加熱而發射電子。

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  如圖2-5所示,陰極是一個圓筒或稱「套管」(sleeve),燈絲被它包圍著,但並不接觸。當燈絲有電流通過產生熱能時,陰極因接近燈絲而被加熱,這種裝置叫做間接熱陰極。如燈絲外沒有套管,燈絲本身就是電子發射體,這種陰極叫做直接熱陰極。直接熱陰極比間接熱陰極式可發射較多電子,所以供給大電流的電源供應器,都用直接熱式的真空管。在小電流供應器中用間接熱式真空管較為普通。間接熱式真空管由於燈絲和陰極分開,它們的電路亦可分開。如圖2-6所示為兩種不同加熱方式。

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  在製造真空管時,管內空氣須抽除殆盡,除避免燈絲燒毀外,同時又可避免空氣分子干擾由陰極發射至屏極的電子。不過,有些真空管內,常用惰性氣體來代替,這樣反而能幫助電子流動。

(3) 固態晶體式整流器

  氧化銅整流器每一單位的耐壓很低,額定電流也低。雖然可用串聯或並聯的方式獲得較高之耐壓或較大之電流,但其體積所佔的空間之大,必定令人在設計電路時傷透了腦筋,而且也是非常不經濟的。硒整流器比氧化銅整流器的耐壓高些(每單位約26伏特),但其所需之空間仍然相當可觀。另外硒整流器還有一種「老化」(aging)的現象,那就是說使用日久之後,其順向與逆向電阻都會慢慢地增大。因此,如果要保持一定的直流輸出的話,必須增加其交流輸入電壓以補償整流器增加的交流壓降。

  真空管式整流器的耐壓可以達到相當高的程度,其電流也足以應付需要,但是它的陰極必須有一燈絲加熱器,增加了電路的複雜性,同時其體積也不小。燈絲產生的熱量之發散也是一個必須考慮的問題。

  固態晶體式二極體整流器式利用鍺晶體或矽晶體之P-N接合而達成其整流作用。最初的晶體式二極體每單位之耐壓低,可通過的電流也小,所以多用於檢波或小信號整流等用途。近年來,由於固態物理科學的進步,晶體之製造技術也不斷地革新改進,故晶體式二極體之耐壓提高,可通過之電流也加大了。尤其是矽晶體之耐壓可高達數千伏特,電流也高達數十安培。另外一個好處是體積小,價錢低廉。因此,它在新式的電源供應器電路中大大地取代真空管的地位。為了得到較佳之電源供應穩壓作用,有些整流器仍然採用鍺二極體,因為它具有很低的順向阻抗。但是鍺二極體的逆向崩潰電壓比矽二極體低得多,也因此限制它只能應用於低電壓整流器電路中。

  因為晶體式二極體的接合面積小,故任何的過荷現象都會使其產生過熱而很可能造成損壞,因此這一類的整流器需要有一保護電路以防止其產生過荷的情形(有關保護電路以後會有詳細的討論)。

 

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