如果我們常常做些電路實驗或檢修機器,一部實驗用的電源供應器是少不了的。一步實用的電源供應器是少不了的。從現在開始我們要從事一連串的探討,從原始的穩壓觀念一職談到我們在圖(二)中所繪的電路。這原電路早在三年前就試作成功了,本來可以單刀直入的介紹給讀者,可是找了半天只找到這張沒數據的圖。也正好我目前也少了一部電源供應器,以前的成品在我服役時送給了朋友,所以目前所有的資料就是這個骨架而已。我想要將未知數的零件值試出並不是一件很難的事,只要用一點心思判斷,大膽假設小心求證一定能圓滿完成這件事的。
首先複習一下穩壓零件──齊納二極體(Zener-Diode)。工廠生產出來的一般二極體差理想二極體還有一段距離;一之理想的二極體應該是順向偏壓時暢然無阻,逆向偏壓時全然不通;實際上的二極體加足了逆向偏壓後可能會流過大量的電流將二極體給毀了,在許多運用上這項特性是很大的缺點;但是對齊納二極體而言這項缺點正是它的優點,因為它就是用這個特性產生調節電壓的作用。
凡是被工作在崩潰區的二極體,應該稱作崩潰二極體比較適當,因為二極體的崩潰效應可由二種不同的過程達成,一是連鎖效應(Avalance effect),一是齊納效應(Zener effect)。如果我們細心一點我們會發覺到Zener出現時都是大寫「Z」開頭,這是一個有紀念性的字眼。早在連鎖效應發現以前Zener博士就道出了齊納效應的理論,因此不管是Avalance效應或Zener效應的崩潰二極體都被含混的稱為Zener二極體,既然是約定俗成的字眼,我們實際也不必去正本清源,只要在心裡頭記到時下所稱的齊納二極體並不都是齊納效應二極體就可以了。
連鎖效應有點像氣體介質被高壓所游離的過程一樣,是碰撞的結果。二極體被逆向偏壓以後多多少少都有一點逆向電流,這個電流當然也是電洞電子所組成的,因此如果外加電壓不繼地加大,使電洞或電子被加速到有足夠的動能去「衝斷」其他結晶離子的能鍵,於是產生了更多的電子電洞對,新產生的電子電洞對又被加速再去「衝斷」其他能鍵,如是以往整個二極體突然間產生大量的電流而達到崩潰區。在此我們要特別注意到崩潰(Breakdown)這個字眼,它並不意謂「完了」或毀壞之意。
齊納效應的產生不見連鎖的結果,它是由於在晶體內摻雜更多的雜質使得即使逆向電洞電子對尚未被加速到足夠能量以前,二極體接合面上的電場就足以去撕裂共價鍵,因此而產生大量逆向電流。效應不同但是一樣崩潰了。大概可以如此說,連鎖崩潰所需電壓比較高齊納崩潰電壓比較低約在5~6伏之譜。
或許你會懷疑是否一般的二極體可以拿來當穩壓用,我想這不是可不可以的問題而是能耐不能耐的問題。這也是我們採購與使用齊納二極體時所該注意的事情。最起碼要告訴店員你要的是幾伏幾微安或幾安的齊納二極體。
看圖(二)的簡單說明比較可以得到清晰的印象,如果我們家裡有一部小收音機,需要四個乾電池(4x1.5=6V),耗電流最大時為300mA(比如說音量最大時),這就是等於最大負載等於20歐姆,以圖上的虛線電阻表示。正好手頭上有剛整流出來9伏特的電壓,此時我們可以找到一支6V的穩壓二極體如圖這樣與負載並聯,要記得先串接一支電阻R它的阻值大約10歐姆左右,這支電阻是準備承受多餘的3伏特用的,它上面的電壓無疑的是300mA,經過節點以後分成兩路 Iz流入穩壓二極體,IL流入收音機。如果收音機接上時音量最大時則 IL近乎300mA,Iz就大約為零了,如果音量中等時可能各分一半150mA,如果收音機關掉了,那 Iz就完全承收300mA的電流。很顯然地如果我們要完成這個電路,穩壓二極體就得選擇6V,300mA以上的穩壓二極體。1安培2安培的可不可以?當然可以,問題在於價格,如果用不了那麼大的偏要用就純屬浪費了。談到此先前所言的可以不可以與能耐不能耐的問題就一清二楚了,見圖(三)。
如果我們的收音機不只耗費300mA而是1A或更大,那像圖(二)這種做法就漸漸顯得有些不能滿足了,除非穩壓二極體有很大的耗散功率。再者如果我們要的穩壓穩定性很好的話,這個電路也不能滿足所以就有圖(四)(五)(六)等等線路出現,這類電路我們一概稱為串聯式安定器,千萬別與市面上的電視安定器混為一談,那些東西沒像我們此處所談的那麼認真,它們只是有殼子的變壓器而已,根本不是什麼安定器。
在分析介紹串聯式安定器以前(Series Atabilizer)我們下幾個定義以便於我們的討論。此為輸出阻抗Zout,以及調整因數Sv。依定義:
應用戴維寧定律(Thevenin's theorem)①、②式可繪得如圖(七)的等效電路,
接了負載ZL後
此時我們一定要先將Sv與Zout所代表的直接意義弄清楚,否則這只是一種累贅。Sv表示安定的績效,也就是說對於輸入的漣波或輸入有交流產生時的消除能力,由定義看如果愈小表示績效愈高,愈大則績效不彰。其次Zout輸出阻抗表式安定器對付負載電流變化時是否能維持定電壓的能力,其值愈小表示即使供應給負載很大的電流仍然能維持住定電壓,若值小了表示負載多要點電流的話此安定器就受不了也就是電壓不能保持定值也。
像圖(四)~(六)的電路的Sv與Zout的詳細計算請參閱開發版Intermediate Electronics By R. J. MADDOCK。235頁到263頁。
圖(四)的電路經過分析演算後得Sv≒0.005 Zout≒0.5,也就是說若輸入端出現了0.5V的漣波的話,輸出端就減低到2.5mV峯對峯,或R.M.S大約0.9mV。對於一些簡單的運用,這就很夠了,但是如果負載電流是在大範圍裡變化的話,0.5的輸出阻抗還嫌太大了一點,此時可以用圖(五)的電路改進。
我們先大概談一下圖(四)電路的動作。為此我們將它重繪在圖(八)加上一些數值以便解說。雖然我們將電晶體換為PNP的它的動作仍是一樣,只需注意齊納二極體的方向。
我們知道鍺質PNP晶體在它線性區域內VER的電壓通常為+0.2V,因為齊納參考電壓為-10V,負載電壓因此高為-9.8V。現在如果負載電阻檢小使電壓減至-9.7V,這將增加VER為0.3V,因此電晶體VCE間的阻值減小IE=IL電流加大使電壓又回復到原來的-9.8V。另一方面如果輸入的電壓下降時,只是降低VCE而已並不影響負載電壓。這個電路的最低輸入不得低於11V否則輸出就無法維持-9.8V的電壓了,因為此時齊納電流大小無法維持它的參考電壓,而安定的作用就中止了。如果輸入電源突然的下降如一般整流不好的漣坡出現於低於11V時,則輸出跟著出現「尖穗」,如圖(九)波形所示。
圖(五)是圖(四)的齊納與晶體間多加了一支電晶體,其動作情形看圖(十)的例子。假設D3是6V的齊納二極體,我們知道Q3的機及電壓一定是6.7伏左右,因此R6調到最上面輸出應該約為9.5V,調到最下面時則約為14V。R4是D3的偏壓電阻,這個R4也可以接在Q1的射極處。R3為Q3的負載電阻;兩個重要節點的電流方向都繪於圖上,這個電路的工作情形也可以假設輸出端負電加大時如何影響電路如何回授又使輸出電壓保持一定等等來了解,這點將留給讀者自行思考。現在我們將關心另一個問題,這就是材料如何選擇,是不是可以按圖施工,如果手頭上正好沒有NPN只有PNP等等情況下要如何動手,而線路如何變更才可以完成設計。
首先仍是看圖(十),如果知道D3為6V不知其額定電流也可以動手的,那就先接上D3,其他元件先不要接上,我們試試R4的值為多少。選一個大一點的電阻10K,20K都無所謂接在R4的位置,用手指摸著D3,如果它是冰涼的那麼可以降低R4的值,一直到1K或2K才感覺到它微溫,此時就該停止再降了而該稍微往上升一點,比如4K~5K左右;由此大概我們了解D1的工作電流大約在10mA左右。(18V-6V)÷1(K)=10mA如此R4選好了,D3的工作電流也探知了,再來選Q3,因為流經R4的電流約2.6mA,容許Q3的射極電流約只有7~8mA(不能超過),假設IE=50 IR,,則IR的值約為0.15mA(不能超過),所以一般小黑豆差不多可以用;但是我們通常並不願使齊納二極體工作時偏擺(swing)太大,也就是加了偏壓使他工作在2.6mA以上不太多的地方擺動即可,因為這樣比較穩定,這可以由Q3的負載電阻來控制,因此R3可以任意選一個值,問題在於R3愈大此電路的Sv愈小穩定性愈良好,可是Zout就高大了;反之此電路能提供比較大的電流但是Sv高大了。在此我們選10K,因為輸出我們只要250mA而已。其次Q3的選擇約要能容許1~2mA這一點是考慮到如果輸出不小心短路的話,Q1約為Tn=1.5mAx50=75mA的電晶體像TIP 29 30之類的,Q2為小黑豆或大黑豆均可以。剩下R5 R6 R2了,因為Q3的In約要0.15mA所以流過這些電阻的電流起碼也要10倍20倍以上也就是2~3個mA,此值是愈大愈好的,但是這得減小R5 R6 R2的值。這恐造成輸出的一項負擔,顧選為9.5(V)÷3(ma)=3K至2K間大概可以的。再來就是2~3K讓R5 R6 R2的分配問題了,如你不願算的話可用試的。如此所有的元件都選好可以開始試裝了。
以上的探究過程並不是很嚴密,但是我們要存有大膽假設小心求證的心理,親自拿起烙鐵來,假設幾次試作幾次後你大概可以成為這個電路的專家同時擁有無數的心得了。這個電路的可調範圍為9.5~14V,輸出可以到250mA。如果你還嫌電流不夠的話,降低R3的值,此時你就得觀照一下Q2 Q1,或許還需投資一兩個電晶體接成並聯呢!這個電路如果零件許可的話,可以做到幾安培以上都沒問題,但是電壓要想從零可調到一二十伏以上就無能為力了,所以還差我們的0~30V有一點觀念上的距離。
如果我們仍嫌圖(五)的電路不夠好的話,可以換按成圖(六)的形式。單晶體的誤差放大換成差動式的放大,電阻R換成定電流源,這個定電流源可以看成是R非常大的電路,R大Sv就小,但是電阻大了流過的電流將減少輸出阻抗Zout變大,所以換一個定電流源,它不但可以提供足夠的電流且阻值也大,所以Sv可以小,Zout也可以小;有時也稱此定電流源為前置調整器(Preregulator)。動作分析大同小異不多談。
我們再回頭看看圖(五),如果手頭上的晶體並不都是NPN或不適合怎麼辦?下面我們試著架構然後看看合不合理。當然我們還是以本來的架構為起始。圖(十一)串連晶體PNP,並連晶體為NPN。在分析此類電路時最好把電晶體的原始意義拿出來應比較容易入手。電晶體的原始意義可由它的英文名稱得知,它是Transfer resistor的縮寫,為TRANSISTOR也,即阻抗變換器之意。也就是說如果IR電流大時CE間的阻抗就降低,In小時CE間的阻抗就升高。好那麼看圖(十一),假使輸出電壓為負載的影響降低了,那R3分得的電壓也降低,自然Q2的In要變小了,此時Q2 CE間的阻抗增加,Q2 C上的電壓上升Q1的IR減小,Q1 CE間的阻抗變大了;也就是說輸出電壓下降時,Q1跟著關門,輸出高得更低的電壓直到Q1完全"OFF"掉。如果輸出電壓受負載影響上升了,結果會使Q1大開其門,直到"Full ON"。由此看來這個接法是行不通的。幾年前我剛研習電學時曾經陷在這個電路上好幾個晚上,老不死心最後被我搞出來了,將Dz與R1一對調萬事"OK"。我想不只是寫文章須靈感,電路實驗更須靈感呢!Dz與R1對調後的電路分析也留給讀者。如果Q2想用PNP,Q1 NPN你也可以試著架構,這筆積木遊戲還令人深思。
以上拉拉雜雜地談了下來,險些忘了我們的大目標。雖然目前出現很多IC可以當作電壓調整用,特性也很好,可能你會認為這個電路落伍了。可是我個人認為電路的觀念是主要的問題,如果觀念不清,IC也好,晶體也好儘會燒光而無所成就的,當然在圖(一)的目標達成以後,我們會接著談一些像uA723、741的IC,下期續。
轉載音響技術第4期 APR. 1976 一部實驗用的電源供應器/白金弘
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