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2-3 半波整流器電路如何工作

  半波整流器可以說是最簡單的一種整流器電路無論金屬式、真空管式、或晶體式整流器元件都可以接成半波整流器。半波整流電路如圖2-7所示。

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  圖中之變壓器就是電源變壓器,初級圈一般都是接於交流電源,次極圈則依照所需輸出直流電壓之高低而設計為升壓變壓器或降壓變壓器。輸出電路的負載為了方便分析起見暫且用純電阻來代替。

  當輸入正弦波交流電壓而在變壓器的次級圈感應產生的交流電壓在正半週時(次級圈上端為正,下端為負),整流器上的電壓是順向的,因此整流器對流過電流的電阻小,可視為一個良好導體。電流由次級圈的正極端經整流器流過負載電阻RL,然後回到次級圈的負極端。電流在負載電阻RL上產生的電壓降之波形與輸入電壓之正半周相似(不考慮各種失真及相位的理想狀況下)。當輸入交流電壓改變極性轉換到另一半週,也就是次級圈感應電壓為負半週時(次級圈上端為負,下端為正),整流器上所承受的電壓是反向的,對流過電流的電阻非常大,有如一絕緣體,因此可通過的反向電流很小,實際上可以忽略當作沒有電流流過。如此一來,在負載電阻RL上所產生的電壓降幾乎等於零,也就是說在這一個半週沒有直流電壓輸出。

  從半週整流的過程,我們可以看到變壓器的次級電壓V2雖然是時正時負的交變電壓,但由於整流的單向導電性,交變電壓的一半被切割掉了,從而在負載RL上得到了單方向的脈衝直流與電壓,其波形為原來交流電波形的一半,所以我們稱這種整流方式為半波整流。半週整流的輸入電壓與輸出電壓波形之關係如圖2-8所示。

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  半波整流的最顯著缺點是交流電壓或電流只有一個半週被利用,另一半週則白白地浪費掉了,這等於減低整流器的效率。此外,半波整流器的變壓器只在某一個半週工作,因此流過變壓器次級圈的電流含有直流成份,容易使變壓器飽和,這就要求變壓器的鐵芯截面積增大。為了改善這些缺點,同時想辦法把另一半週也利用上,因此在半週整流的基礎上產生了全波整流電路。全波整流可分為中心抽頭式全波整流及橋式全波整流兩種。

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[中心抽頭式全波整流]

  全波整流器相當於兩個半波整流器工作於相反的兩個半週如圖2-9所示。圖中變壓器繞組端附近的黑點表示感應電壓的相位; 在任何一瞬間這些端點的感應電壓都具有相同的相位。其實,如果稍為動一下腦筋,圖中的兩個次級繞組又可以看做是一個具有中心抽頭的單一次級繞組;點A與點B連接起來成為一個端點而省去了另一個端點如圖2-10所示。

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由於兩個負載電阻RL1與RL2的電阻值一樣而且連於一共同點,所承受的端電壓及流過的電流相同,所以它們的反側也可以連接在一起如圖2-11所示。

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  輸入交流電壓在正半週時,中心抽頭上方的次級繞組所感應的電壓對整流器D1來講是順向的,D1所呈現的電阻很小有如導體,因此有電流流經負載RL。而中心抽頭下方繞組的感應電壓對整流器D2來講是逆向的,D2所呈現的電阻很大有如一絕緣體,因此沒有電流流經D2,當然也就沒有電流流過RL。輸入交流電壓在負半週時,一切正好與前述情形相反;上方繞組的D1不通,下方繞組的D2則導通並有電流流經RL

  這種全波整流器的優點是兩個半週的電流留過變壓器次級繞組的方向相反,沒有直流成份存在,所以不會產生鐵芯磁飽和的問題。在真空二極管為主要整流器元件的時代,它是最具吸引力的一種整流電路,在那個時候主要考慮因素是整流出來的電流,該電流受真空管熱陰極發射電子特性的限制。輸入電流的高低並不重要,因為真空管之耐壓都很高,一般都在千伏以上。這種電路也有其缺點,假如輸出電壓為V伏特的話,次級繞組的電壓必須為兩倍即2V伏特。另外,中心抽頭式的變壓器在繞製時必須分開以獲得中心抽頭,還須注意兩組電壓的平衡及誤差。

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  真空管式中心抽頭全波整流電路如圖2-12所用之真空管為雙屏極式二極管與半波整流用的單屏極二極管稍為不同。事實上,如果有兩個單屏極二極管便可代替雙屏極二極管使用,雙屏極二極管的兩個屏極並接在一起就是一個單屏極二極管,故真空管的形式或結構並不重要。

[橋式全波整流器]

  橋式整流器可以說是最好的整流電路,它具有半波整流與全波整流兩者之優點。全波整流的好處是漣波之頻率較高為半波整流的兩倍有利於往後的濾波作用,半波整流的好處則在其較低的變壓器次級繞組電壓,減小變壓器的體積,也減小變壓器的造價。但是,橋式整流用變壓器次級繞組雖與半波整流用者相似,卻不會造成鐵芯磁飽和的問題而且直流輸出電壓之效率更高。實際上,橋式全波整流電路是把兩個中心抽頭式全波電路合成為單一的整流電路,電路的演進第一階段如圖2-13所示,一個中心抽頭式全波整流器負責產生正性輸出電壓,另一個則負責產生負性輸出電壓,兩組整流電路完全不作任何接地。

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這裡所說的輸出直流電壓極性為正或為負,完全是一種相對的觀念,因為整流電路可以其接地點之不同而決定其輸出電壓之極性是正還是負,所以在接地點位決定以前的電壓極性只可說是相對的。由於電路合成的目的是為了倍增輸出電壓,故變壓器的兩個次級繞組的中心互相連接在一起,跨於每一個負載上的電壓V/2互相串接起來而成另一合成電壓V如圖2-14所示。

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端點a與b或端點c或d在任何瞬間都是同相位,因此也可互相連接在一起而不影響電路的工作; 同理,端點c與d也可接在一起。如此連接之後,兩個次級繞組等於並連成單一繞組,整個電路衝化之後如圖2-15所示。

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  橋式整流器的工作原理很容易瞭解。依照圖2-15來解釋,我們之道交流電壓在正半週時,電流從線圈上端經由D1流過負載後由D4流囘線圈下端,在負半週時,電流則從線圈之下端經由D2留過負載再經由D3流囘線圈之上端。如果把圖2-15中之四個整流器元件重新排列如圖2-16,則一眼便可看出其電路結構與惠斯敦電橋類似,這也就是橋式整流器之名稱來源。

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轉載音響技術第5期 MAY. 1976 擴大器的能源──電源供應器/輝 雄

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