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AC/DC

AC/DC基本知識

AC/DC基本知識

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。

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。


AC/DC轉換的基本資料