應用電子學實驗講義(I)
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實驗四 整流與簡易的穩壓電路
實驗目的
製作整流與簡易的穩壓電路並了解其中電路之動作原理。
實驗儀器
信號產生器、示波器、數位電錶 麵包板、接線及香蕉插座零件盒各一
二極體1N4148 數枚；
電阻、電容 數枚；
預習問題
1. 試比較半波整流與全波整流輸出波形的差異性。
2. 畫出步驟<一>之 2 中電路 Vout 對 Vin 的關係圖。
3. 說明橋式全波整流器的工作原理，並說明整流後之輸出訊號峰值會較輸入訊號小 1.4V，
即兩個二極體導通的電位降。
4. 由圖 4.9，說明全波倍壓電路工作原理。
原理
直流電源供應器介紹
不管是半波或全波整流器的輸出電壓都含有很大的波動部分，並不適合用作一般電子 電路的直流電源。一個直流電源供應器除了變壓器及整流電路外，在後面還會接上一個由 電容構成的濾波器(filter)濾掉大部分的波動。若要更精密的直流電源，則必須再接一個穩壓 調節電路(voltage regulator)。下圖是直流電源供應器的結構方塊圖及每一級的輸出波形。穩 壓調節電路則有現成的IC 可供使用(例如 7805，7905，317，337 等)，最簡單的電路則是 用一個Zener 二極體即可(用他反向崩潰的部分)。
實驗步驟
＜一＞半波整流器
由二極體的實驗，已得知二極體是一個單向導通的非線性元件。一般的矽製成的pn 二極 體導通時，順向偏壓約維持在0.7V。利用這些特性，我們可以簡單的設計出來一個整流器 (rectifier)，只讓交流訊號中同一極性的部分通過。對弦波而言，只有半週期導通，故稱為半
圖4.1
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波(half-wave)整流器。
電路連接如右圖：
1. Vin 用振幅為 5V 之 60Hz 正弦波輸入，畫出你觀察到的 Vout，注意峰值為多少？是否仍為 5V？(注意：二極體 導通時約有0.7V 之電位降 C 記錄下 X-Y 模式所顯示的 特性曲線。
2. 將二極體方向到過來，重複上面步驟。結果有何差別？為什麼？
3. 使用一電容 C=22μF 與 R1 並聯後(注意電解質電容的極性)，重複步驟 1。
<二>全波整流器
全波(full-wave)整流電路可以讓正和負半週期的弦波訊號都通過，但把其中半週期的訊號 反相，結果輸出的訊號均為同一極性，即均為負或正電壓。
這裡我們要做的是所謂的橋式整流器(Bridge rectifier)，由 4 個二極體構成，最常用在直流電源 供應器的設計中。
在正半週時 D1 和 D2 導通，D3 和 D4 不導通，
在負半週時則相反，不管在正或負半週，通過負 載電阻的電流方向均相同，因此輸出電壓保持相 同的符號。下面的圖比較容易瞭解，輸入部分用 的是變壓器，保證Vin 兩端為浮接(floating)，即不
接地。在本實驗中，我們並不使用變壓器，但要注意把訊號產生器的電源接地線浮接(即用一 個 3 對 2 的電源轉接頭在電源線上)
圖4.2
D1
D4 D3
D2
圖4.3
圖4.4
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1. 仔細接好電路，特別注意二極體的極性(即方向性)，我們這裡還不希望有太多的 surprise！
2. Vin 輸入振幅為 10V 之 60Hz 弦波信號(DC offset 調為零)，畫出 Vin 和 Vout。Wait！這裡 請注意一下！此電路的輸入，不管正或負
端均為 float(即均不和地 GND 相接)，因此 你絕對不可以用示波器同時觀察 Vin 和 Vout 的波形。你必須在 Vin 尚未接入電路 前先檢查其大小，然後(確定探針的 GND 沒接在任一輸入端)再觀察 Vout。
3. 輸出接一濾波電容 C 到地。接線如圖 4.5：
此即形成一個常用的所謂未經穩壓(unregulated)直流電源供應器的靈魂部分。
(a) Vin 仍用振幅 10V、60Hz 之弦波輸入，C 用 22μF(注意電解質電容的極性)，畫出 Vout。
並注意輸出電壓的不平整(即漣波，ripples)情形，記錄其漣波大小。
圖4.6 (b) 將 C 換為 470μF，結果有何變化，漣波現在有多大？這樣合理嗎？
(c) 現在將電路中標記 c 的二極體移去，用來模擬此二極體被燒壞的情形，Vout 的波形變 成怎樣？假如將二極體c 兩端短路，結果如何？解釋你看到的波形。(注意！別把二極體 a 或 d 之兩端短路！)
<三>倍壓整流電路
如圖4.7 所示，由 C1 及 D1 組成一升壓的箝位電路 後再接半波整流電路就成了半波倍壓整流電路。動作原 理分析如下：先考慮Vin<0 的情形，C1 透過 D1 充電至 Vin 之峰值 Vm。反之，Vin>0 時，C2 透過 D2 充電至 2Vm(Vin 之 Vm 加上 C1 之 Vm)，此時輸出 Vout 將如圖 4.8 之實線所示。
1. Vin 用振幅為 4V 之 60Hz 正弦波輸入，使用三用電表量
測C1 及 C2 之直流電壓。C1=C2=22μF，請注意電解質電容的極性。
2.畫出由示波器觀察到的 Vin 與 Vout，注意 Vout 之峰值為多少？是否仍為 4V？記錄下 Vout 的直流電壓及漣波振幅與頻率。
3.圖 4.9 為全波倍壓電路，其中 C1 與 C2 皆為 22μF 之電容(注意電解質電容的極性)，接妥後 重複步驟1、2。
圖4.5
圖4.7 20k
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圖4.8 圖4.9
<四>簡易的穩壓調節電路
由前面實驗可知交流訊號雖經整流及濾波之後，仍有 漣波存在，若要更精密的直流電壓源，則必須再接一個穩 壓調節電路(voltage regulator)。除了使用現成的 IC 外，尚 可利用二極體及稽納二極體來設計一簡易的穩壓調節電 路。
1.調整直流電源供應器之輸出為 3.5V 當作 Vin 後量測 Vout，
其中R=510Ω。
2.將 Vin 調降 0.5V 後重複步驟 1，直到 0V
3. Vin 的訊號改由圖 4.9 的電路提供，也就是在圖 4.9 的 20kΩ 之前再接 510Ω 及 3 個二極體。
觀察Vout 之漣波變化狀況。
4.將三個串接二極體改為一個 2V 稽納二極體(極性方向與二極體相反，如 圖4.11 所示)後重複步驟 1,2,3。
數據分析與思考問題
1. 整理每一步驟的數據結果，並和理論值比較。回答步驟中的問題。
2. 利用一個輸出為 12Vrms 的變壓器(輸入當然是 110Vrms)，橋式整流器，加上電阻電容，
以及崩潰電壓為10V 的 Zener 二極體，設計一個輸出為 10V 的直流電源供應器。如何決 定他最大的輸出電流？
3. 漣波因數 Kr 的定義為(漣波電壓的有效值/直流電壓)，在此假設漣波的波形為正弦波。則 試計算各電路的漣波因數為何？
4. 參考步驟<三>之倍壓電路，試設計出三倍壓電路。
圖4.10 2Vm
Vm 0
圖4.11 20k
20k
