二極管展區

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在模擬電子學中,二極管是一種用來限定載流子移動方向的元件。它只容許電流從一個方向流通,而阻擋另一個方向的電流流通。二極管的一種重要應用是用於整流器電路中,整流器是直流電源適配器其中一個重要組成部份,見圖1。

圖1: 直流電源適配器的結構方塊圖

整流是把交流電 (AC) 轉換為直流電 (DC) 的過程。交流電流和交流電壓會在正負兩種極性 (雙向性) 間交替變換,而直流電流和直流電壓則只有其中一個極性 (單向性)。用作整流的電氣器件稱為整流器。整流可分為半波整流及全波整流,其中以半波整流最為簡單。

半波整流器只容許交流電的正半週或負半週其中之一通過,它可以用一顆二極管來實現。以圖2的正半波整流器為例,二極管只在正半週期間導通,所以這時它如同短路,見圖2b。另一方面,它在負半週期間截止,所以這時它如同斷路,見圖2c。

圖2a: 一顆二極管可作為半波整流器

圖2b: 二極管在正半週期間如同短路

圖2c: 二極管在負半週期間如同斷路

圖3a和圖3b分別顯示了正半波整流器輸入和輸出的電壓波形。整流器的輸出是單向的,並具有有限的平均值,即直流分量。

圖3a: 交流輸入電壓的波形

圖3b: 經過正半波整流器後的直流輸出電壓波形

全波整流器在正負半週期間均有電流導通。圖4a 是一個橋式全波整流器,它由四顆二極管構成,而在每半個週期內,只有兩顆二極管被導通,見圖4b及圖4c。

如圖4b所示,在正半週期間,電流流過D4、負載電阻和D6;這時,D3和D5被反向偏置,因此沒有電流流過這兩顆二極管。如圖4c所示,當輸入電壓處於負半週時,電流流過D3,負載電阻和D5;這時,D4和D6被反向偏置。

圖4a: 全波整流電路

圖4b: 正半週時的等效整流電路

圖4c: 負半週時的等效整流電路

在輸入電壓的正負半週期間,電流都是以相同方向 (由上而下) 流過負載電阻的,因此負載電阻上的電壓降總是正值。全波整流器的輸入及輸出波形如圖5a及圖5b所示。全波整流器能夠完全利用輸入電流的正負半波,因此是最為常用的整流器。

圖5a: 交流輸入電壓的波形

圖5b: 經過全波整流後的直流輸出電壓波形

如果把一顆電容並接在整流器的負載上,就形成了一個簡單的濾波器電路,使整流器的輸出變成一個更穩定的直流電壓,見圖6。起始時,電容會充電至整流波形的峰值;在峰值過後,電容通過負載電阻持續放電,直至整流波形的電壓大於電容電壓。這時電容再次充電並一直重複這個過程。

圖6: 加入濾波電容後的全波整流器輸出電壓波形 (實線所示)

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