AC-DC｜基礎篇

AC-DC基本知識

2016.03.30

重點

・從電子電路來看，AC-DC轉換是DC電源的根本，因此必須先掌握住基礎理論。

在此將說明AC（交流）電壓轉換成DC（直流）電壓上，最為基本的變壓器和開關兩種方式。此外，亦將彙整本節內容，比較、討論變壓器方式和開關方式。

一開始，先來復習起始點「為什麼必須AC-DC轉換？」吧。

Figure 1

圖1

大家都很清楚在日本，傳送到家庭和大樓的電力，主要是AC100V和200V。然而，組裝到使用該電力，並且啟動運轉的電子產品內的電子電路，運轉時幾乎都是利用5V和3.3V的DC電壓。其中雖然有馬達機器和白熾燈炮等，直接以AC電壓驅動的裝置，但最近馬達和開關等較為單純的機器，幾乎無可避免地，都會配備電子控制電路，且全部的電子控制電路皆以DC電壓驅動。另外，市場也逐漸將白熾燈炮換成LED，只是如同大家所知般，LED基本上仍是以DC驅動的。也就是說，「從送電網傳送過來的是AC，但因為相當於電子產品心臟的電子電路，是以DC驅動的，因此若不將AC電壓轉換成DC電壓，將無法啟動電子產品」。相信大家會覺得「這樣的話，一開始傳送DC電源不就好了？」，但其實傳送AC電源，是有其歷史背景因素和理由的。

各位應該知道愛迪生在1881年時，發明了安裝白熱燈泡的電燈。其實在當時的美國境內，是以供應DC電源為標準，愛迪生為了推廣白熱燈泡，開始投入推行DC 110V送電網的事業。但可惜的是，傳送DC電源時，會造成電壓大幅度下降，因此傳送範圍無法超過1.5km，導致發電廠必須建造在街道之中。這種情況在現在聽起來，簡直令人不敢相信。面對此一情況，尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla)考察AC的發電、送電、使用方法，和愛迪生之間開始了電流戰爭。最後特斯拉以能夠輕易變壓，且即使電線又細又長，傳送電力時也不會造成太大損耗的AC系統獲得勝利，而該結果也一直延續到現在。

AC的優點
  • AC電源只要使用變壓器，就能輕鬆轉換電壓（升壓、降壓）。
  • 傳送電力時能保持高電壓/低電流，減輕電壓下降的現象（I²R損耗）。
  • 能輕易將AC電源轉換成DC電源，易於供應電力給以DC電源驅動的機器。

其實發電廠送出數千至2萬V的AC高電壓後，在傳送到一般住戶前，再透過電線桿內的變壓器，降壓至100V和200V。

這邊稍微提一下，現階段住宅內的插座供應AC電源，所以各機器必須自行安裝AC-DC轉換電路才行。對於此一部分，從省力化和小型化的觀點來看，不得不說多此一舉，在最近各地測試運轉和研究的智慧住宅構想中，也曾考量從住宅內的插座，直接供應DC電源的系統。雖然如此，但不代表電力送電網的設施能急速轉變成DC，或者不必AC-DC轉換。在該系統內，供應DC電源的家庭供電裝置，仍須設置高功率和效率的大功率AC-DC轉換器，以及在附近安裝中功率的AC-DC轉換器。
接著，再來談論另一個基本知識。在前述內容中提到「能輕易從AC轉變成DC」，但這屬於「整流」作用，為AC-DC轉換的根本，因此必須先了解其架構。

Figure 2

圖2

圖2為屬於整流基本種類的全波整流，以及半波整流的作用。不論何者，都是將輸入的AC電壓和二極體相接，抓到負向波的振幅。半波整流只使用1個二極體，來抓到負向波的振幅，因此負向波消失，只剩下一半的波形，故稱半波。全波整流使用了由4個二極體組成的橋式二極體，能旋轉負向波，讓它出現在正向波區域內，而能顯示全波形的就是DC。

DC化之後，利用電容讓波形平滑。但即使波形平滑仍會殘存漣波（Ripple），其振幅漣波電壓會因為電容的容量和負載而出現變化。當電容的容量和負載相同時，全波整流和半波整流相比，反而是全波整流的漣波電壓會變小。

【下載資料】 AC-DC轉換器的基礎及設計步驟

本資料非常適合提供給剛開始接觸AC-DC轉換器設計的新人工程師。內容詳細說明了AC-DC轉換的基礎以及各種轉換方法、AC-DC轉換器設計步驟以及課題。

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