直流電源電路 -...

第 6章直流電源電路

147

所有的電子裝置都需具備直流電源電路，直流電源電

路是將電力公司所提供價廉的交流電壓轉變成穩定的直流

電壓，供給電子裝置所需要的能源，以維持電路的運作。

瞭解直流電源電路的基本結構與功能。

瞭解整流電路的種類、工作原理與特性。

瞭解濾波電路的種類、工作原理與特性。

能裝配直流電源電路與特性量測。

6-1 直流電源電路的結構

6-2 變壓器原理

6-3 整流電路原理與量測

6-4 濾波電路原理與量測

6-5 穩壓電路原理與量測

技能活動

學後評量

直流電源電路

本章實習時數：小時12

基礎電子實習

148

6 - 1 直流電源電路的結構

如圖 6-1所示，為直流電源電路的基本結構，其每個電路所具備的功

能說明如下：

變壓器：將市電 AC 110V提升或降低到適當的交流電壓。

整流電路：將交流電壓轉變成為脈動的直流電壓。

濾波電路：將脈動的直流電壓轉化成平穩的直流電壓。

穩壓電路：提供一個穩定的直流電壓源，此直流電壓源將不會受市電變

動或負載電流大小的影響。

圖 6-1 直流電源電路的基本結構

6 - 2 變壓器原理

變壓器的基本結構，如圖 6-2(b)所示，變壓器提升（降低）交流電壓

的原理為：AC 110V 的交流電壓經由一次線圈加入後，產生變動電流流

動，使一次線圈產生磁通的變化（），經由矽鋼片的傳導到達二次線

圈，使得二次線圈因受到磁通變化的影響，感應出相對的交流電壓輸出。

變壓器的電路符號，如圖 6-2(a)所示，V1 為一次線圈輸入的交流電壓，V2

為二次線圈感應的交流電壓，N1為一次線圈的匝數，N2為二次線圈的匝

數。其輸出交流電壓值 V2與輸入交流電壓值 V1的關係，如公式 6-1所示，

改變N1與N2的匝數比，就可以改變V2的輸出交流電壓值，如此就可達到降

壓的目的。


149

=V1 t

N1

V2 = N2 t

V2 = N2

V1 t

N1

t=N2

N1V1

V2

V1=N2

N1

公式6-1

(a)變壓器符號 (b)變壓器結構

圖 6-2 變壓器的電路符號與基本結構

6 - 3 整流電路原理與量測

二極體具有單向導電的特性，利用此特性將交流電壓轉變成脈動直流

電壓的電路稱為整流電路。所使用的二極體因具有提供較大電流及耐壓的

特性所以稱為整流二極體。整流電路的型態有半波整流、中間抽頭式全波

整流及橋式全波整流三種，分述如下：

半波整流電路

如圖 6-3 所示，為半波整流電路，

電路結構最為簡單，只需要使用一個整

流二極體，但是整流效率較差。

圖 6-3 半波整流電路

基礎電子實習

150

半波整電路工作原理：

當變壓器輸出為交流正半週時，二極體 D順向導通，可視為短路，流

經負載 RL的電流方向為由上至下流動，如圖 6-4(a)所示。當變壓器輸出為

交流負半週時，二極體 D逆向截止，可視為開路，沒有電流流經負載 RL，

如圖 6-4(b)所示。由此可知，不論交流電壓在正負半週交替變化時，流經

負載的電流方向，只有在正半週時，維持由上至下的單方向流動，所以在

負載兩端的電壓為單向正脈動直流電壓。其輸入與輸出波形的關係，如圖

6-4(c)所示。

(a)正半週輸入 (b)負半週輸入

(c)輸入與輸出波形關係

圖 6-4 半波整電路工作原理

中間抽頭式全波整流電路

如圖 6-5所示，為中間抽頭式全波整流電路，電路結構需要使用中間

抽頭式變壓器及兩個整流二極體，其整流效率較佳，但是因為使用中間抽

頭式變壓器導致體積龐大、價格較高。


151

圖 6-5 中間抽頭式全波整流電路

中間抽頭式全波整電路工作原理：

當變壓器輸出為交流正半週時，二極體 D1 順向導通，可視為短路，

二極體D2逆向截止，可視為開路，流經負載RL的電流方向由上至下流動，

如圖 6-6(a)所示。當變壓器輸出為交流負半週時，二極體 D1逆向截止，可

視為開路，二極體 D2順向導通，可視為短路，流經負載 RL的電流方向維

持由上至下流動，如圖 6-6(b)所示。由此可知，不論交流電壓在正負半週

交替變化時，流經負載的電流都維持由上至下的單方向流動，所以在負載

兩端的電壓為單向正脈動直流電壓。其輸入與輸出波形的關係，如圖 6-6

(c)所示。

(a)正半週輸入 (b)負半週輸入

圖 6-6 中間抽頭式全波整電路工作原理（續）

基礎電子實習

152


圖 6-6 中間抽頭式全波整電路工作原理（續）

橋式全波整流電路

如圖 6-7所示，為橋式全波整流電路，其電路結構需要使用四個整流

二極體，但卻不需要使用中間抽頭式變壓器。可改善中間抽頭式全波整流

電路體積龐大、價格較高的缺點，且維持全波流整的較佳效率，是目前使

用最為廣泛的整流電路。

圖 6-7 橋式全波整流電路

橋式全波整電路工作原理：

當變壓器輸出為交流正半週時，二極體 D1、二極體 D3順向導通，可

視為短路，二極體 D2、二極體 D4逆向截止，可視為開路，流經負載 RL的

電流方向由上至下流動，如圖 6-8(a)所示。當變壓器輸出為交流負半週時，

二極體 D1、二極體 D3 逆向截止，可視為開路，二極體 D2、二極體 D4 順


153

向導通，可視為短路，流經負載 RL 的電流方向維持由上至下流動，如圖

6-8(b)所示。由此可知，不論交流電壓在正負半週交替變化時，流經負載

的電流都維持由上至下的單方向流動，所以在負載兩端的電壓為單向正脈

動直流電壓。其輸入與輸出波形的關係，如圖 6-8(c)所示。

(a)正半週輸入

(b)負半週輸入


圖 6-8 橋式全波整電路工作原理

基礎電子實習

154

橋式全波整電路是目前最為廣泛使用的整流電路，製造廠商會將四個

整流二極體包裝在一起製造，形成一個單獨的電子元件稱為橋式整流器。

依據不同的電流容量及耐壓，而有不同的包裝型式，其外觀如圖 6-9(a)所

示。圖 6-9(b)所示為橋式整流器的等效電路。圖 6-9(c)所示為橋式整流器的

另一種電路符號的表示方式。

(a)橋式整流器外觀圖

(b)橋式整流器等效電路 (c)橋式整流器另一種表示方式

圖 6-9 橋式整流器

6 - 4 濾波電路原理與量測

整流後的脈動直流電壓是一個不穩定的直流電壓，分析脈動直流電壓

的成份，可將其視為由一個純直流電壓與一個交流電壓相加組合而成的電

壓型態，如圖 6-10所示。此交流電壓稱為漣波電壓，以 Vr 來表示。若以

脈動直流電壓作為電路的電源時，漣波電壓會對大多數的電子電路產生極

大不良的影響。可經由濾波電路將脈動直流電壓轉換成較平穩的直流電

壓，以提供電子電路使用。


155

圖 6-10 脈動直流電壓的分析

濾波電路具有將脈動直流電壓轉換成較平穩的直流電壓的功能。實際

使用上，任何濾波電路都無法得到絕對平穩的直流電壓，必定含有微量的

漣波電壓。漣波電壓愈小，則電壓愈穩定，濾波電路的性能愈佳。對於濾

波電路性能的比較，可藉由漣波因數來加以衡量。漣波因數的定義為：

r = 漣波因數 =漣波電壓的有效值

直流電壓=Vr rms

VDC

公式6-2

漣波因數愈小，表示濾波電路輸出的直流電壓愈平穩，濾波電路的特

性愈佳。

電容濾波器的原理

電容濾波器是最簡單且廣泛被使用的濾波電路，如圖 6-11所示，是利

用電容器具有儲存電荷的特性，在整流電路的輸出端並上一個電容器，就

形成了電容濾波電路，此電容稱為濾波電容。

圖 6-11 電容濾波器

基礎電子實習

156

當輸入交流電壓為正半週時，電壓由 0V上升至正峰值電壓（VP）時，

二極體 D順向導通，順向電阻很小，對濾波電容（C）很快的充電到達峰

值電壓，此時濾波電容兩端電壓（VC），VC = VP，當輸入電壓由正峰值電

壓往下降時，由於濾波電容兩端電壓（VC）為峰值電壓，高於輸入電壓，

使二極體 D形成逆向截止，濾波電容對負載電阻（RL）放電，由於負載電

阻阻值較大，放電較緩慢，濾波電容電壓緩慢下降。如圖 6-12所示，為電

容濾波電路充放電的波形。

當輸入交流電壓為負半週時，二極體 D逆向截止，濾波電容對負載電

阻（RL）持續緩慢放電。若輸入電壓再回到正半週時，當輸入電壓再由 0V

上升且未超過濾波電容電壓，此時二極體仍呈逆向截止狀態，濾波電容對

負載電阻（RL）持續緩慢放電。當輸入電壓超過濾波電容電壓時，二極體

D順向導通，又對濾波電容很快的又充電到達峰值電壓。如此週而復始，

濾波電容兩端電壓會維持一相當平穩的電壓值，如圖 6-12中 VC 的波形，

可視為平穩的直流電壓。

若使用的濾波電容，電容量愈大則放電速度愈慢，濾波效果愈好，漣

波電壓也愈小。所以在使用上一般使用電容量 1000 F 以上的電容器作為

濾波電容器。

圖 6-12 電容濾波電路充放電的波形

電容濾波器的量測

電容濾波器的量測步驟：

將半波整流電路裝配於麵包板上，接上ACV 15V，在輸出端接上示波器


157

用以觀測輸出波形。如圖 6-13(a)所示。

將濾波電容取下，即可觀測半波整流後的波形。（示波器輸入耦合切換

開關置於 DC位置），其波形如圖 6-13(b)所示。

將濾波電容接上。即可觀測濾波後的波形。（示波器輸入耦合切換開關

置於 DC位置），其波形如圖 6-13(c)所示。

觀測漣波電壓的大小，將示波器輸入耦合切換開關置於 AC位置，用以

隔離直流電壓，並調整垂直衰減的選擇開關（降檔）使能看到漣波電

壓，如圖 6-13(d)所示，並計算其有效電壓值 Vr rms。

使用電壓表測量輸出端的直流電壓 VDC。

將測得的漣波電壓 Vr rms 除以直流電壓 VDC，即為濾波電路的漣波因數 r。

(a)量測示意圖

(b)半波整流後的波形 (c)濾波後的波形 (d)漣波電壓的測量

圖 6-13 電容濾波器的量測步驟

基礎電子實習

158

6 - 5 穩壓電路原理與量測

穩壓電路的功能是為提供一個穩定的直流電壓源，此直流電壓源將不

會受市電變動或負載電流大小的影響，同時也可降低漣波電壓的成份。

稽納二極體穩壓電路原理

如圖 6-14所示，為稽納二極體的結構、電路符號及特性曲線，稽納二

極體的結構與一般二極體完全一樣，只是將摻雜濃度比提升到約為 105：

1。當稽納二極體兩端加上順向偏壓時，其特性與一般二極體相同。當稽

納二極體兩端加上逆向向偏壓時，只要較低的逆向偏壓即可使稽納二極體

崩潰，此崩潰電壓稱為 VZ。此時逆向飽和電流會大量增加，只要逆向飽和

電流維持在最小值 IZK 與最大值 IZM 之間，稽納二極體兩端就會維持在固

定的 VZ 電壓。稽納二極體的參雜濃度愈高，則崩潰電壓愈低。稽納二極

體一般都工作於逆向偏壓中。

圖 6-14 稽納二極體的電路符號及特性曲線

圖 6-15所示為稽納穩壓電路，當輸入

電壓 Vi變動時，只要稽納二極體兩端所加

的逆向偏壓大於崩潰電壓 VZ 時，稽納二

極體就會崩潰，使輸出電壓維持在固定的

VZ 電壓，進而達到穩壓的功能。圖 6-15 稽納穩壓電路


159

串聯式穩壓電路原理

如圖 6-16所示，為串聯式穩壓電路的基本結構，其結構功能說明如下：

圖 6-16 穩壓電路的基本結構圖

主控電晶體：主控電晶體與負載串聯形成分壓作用。當輸出電壓受到外

界影響而降低時，主控電晶體受誤差比較放大器控制，使主控電晶體兩

端壓降減少，進而促使輸出電壓提升，兩者相互平衡而使輸出穩定；當

輸出電壓受到外界影響而上升時，主控電晶體受誤差比較放大器控制，

使主控電晶體兩端壓降增加，進而促使輸出電壓降低，兩者相互平衡而

使輸出穩定。

取樣分壓網路：取得輸出電壓的變化，饋送到誤差比較放大器與穩定的

參考電壓比較，進而控制主控電晶體兩端壓降的大小。

誤差比較放大器：由取樣分壓網路取得輸出電壓的變化與穩定的參考電

壓進行比較，將兩者之間微小誤差電壓放大，進而控制主控電晶體的兩

端電壓降，將輸出電壓的變化抵消，使輸出電壓達到穩定的目地。

參考電壓：係利用稽納二極體於逆向偏壓時，因其元件的特性產生崩潰

效應，使得在其元件兩端會得到一個穩定的崩潰電壓（VZ），以此穩定

的電壓作為參考的基準電壓。

圖 6-17 所示，為丙級技術士試題-音樂盒電路中的穩壓電路。在電路

中電阻 R1 與稽納二極體 D5 組成參考電壓電路。電晶體 Q1、Q2 組成差動

放大型態的誤差比較放大電路。電阻 R6、半可變電阻 SVR1與電阻 R7串聯

基礎電子實習

160

後，與輸出端並接，形成取樣分壓網路，利用分壓定則取出輸出變動的誤

差信號電壓。電晶體 Q4 為驅動電晶體，將取樣的誤差信號放大，提供較

大的誤差信號來驅動主控電晶體。Q3為主控電晶體，一般都選用可承受較

大電流，提供負載較大功率的功率晶體。

圖 6-17 穩壓電路原理分析圖

如圖 6-17所示穩壓電路，其電路工作原理說明如下：

當輸出電壓受到外界影響而上升時：

VO↑→VB2↑→VBE2↑→IC2↑→IB4↓→IC4↓→IB3↓→VCE3↑→VO↓

抵消平衡

當輸出電壓受到外界影響而下降時：

VO↓→VB2↓→VBE2↓→IC2↓→IB4↑→IC4↑→IB3↑→VCE3↓→VO↑

抵消平衡


161

穩壓電路靜態電壓分析

圖 6-18所標示為穩壓電路各點靜態電壓計算值，可做為實作電路檢修

時，參考判斷故障的依據，若調整 SVR1 使輸出電壓為 12V 時，其各點電

壓計算過程如下：

VB1 = VZ = 5.6V

VE1 = VE2 = VB1 VBE1 = 5.6V 0.7V = 4.9V

VB2 = VE2 + VBE2 = 4.9V + 0.7V = 5.6V

IE =VE1R4

=4.9V470

= 10.42 mA

IC1 = IC2 =IE2

= 5.21 mA

VC1 = 21V IC1× R2 = 13.3V

VC2 = VB4 = VO + VBE3 = 12V + 0.7V = 12.7V

VB3 = VC4 = 21V VBE3 = 21V 0.7V = 20.3V

調整 SVR1 可變電阻時，可改變輸出電壓的大小，可經由計算而得其

調整範圍，計算過程為：

當 SVR1 調到最低時，即圖中所示 B 點位置，此時穩壓電路有最大輸出

電壓值。

VMAX = VB2×R6 + SVR1 + R7

R7

= 5.6V×3.3k + 2k + 3.3k

3.3k

= 14.6V

當 SVR1 調到最高時，即圖中所示 A點位置，此時穩壓電路有最小輸出

電壓值。

VMIN = VB2×R6 + SVR1 + R7

SVR1 + R7

= 5.6V×3.3k + 2k + 3.3k

2k + 3.3k

= 9.09V

本電路電壓的調整範圍為 9.09V～14.6V之間。

基礎電子實習

162

圖 6-18 穩壓電路各點的靜態電壓值


163

實習材料

項次品名規格數量項次品名規格數量

1 變壓器 110V/15 V 0.5 A 1 9 電阻器 1W 1 k 1

2 電晶體 2SA684 1 10 電阻器 1/4W 470 1

3 電晶體 2SC1815 3 11 電阻器 1/4W 1 k 1

4 整流二極體 1N4001 4 12 電阻器 1/4W 1.5 k 2

5

6

7

8

稽納二極體

電容器

電容器

半可變電阻

5.6V

35V 1000 F

35V 470 F

2 k

1

1

1

1

13

14

15

電阻器

電阻器

萬用電路板

1/4W 2.7 k

1/4W 3.3 k

85×85 mm

1

2

1

實習項目與步驟

1 半波整流電路

圖 6-19 半波整流電路

將圖 6-19所示，半波整流電路裝配於麵包板上。

完成裝配之後，請檢查電路是否正確，可參閱圖 6-20 裝配及量測示意

圖。接上 AV 110V交流電壓。

基礎電子實習

164

圖 6-20 裝配及量測示意圖

將三用電表置於DCV 10V檔，測

量半波整流電路輸出端直流的電

壓為 V。

將示波器的CH1接於電路的輸入

端與 CH2接於電路的輸出端。

以示波器同時觀察輸入的交流電

壓CH1與輸出的整流波形CH2，

並記錄於右圖中。

2 橋式整流電路

圖 6-21 橋式整流電路

將圖 6-21所示，橋式整流電路裝配於麵包板上。

完成裝配之後，請檢查電路是否正確，可參閱圖 6-22 裝配及量測示意

圖。接上 AV 110V交流電壓。


165



量橋式整流電路的輸出端直流的

電壓為 V。

比較半波整流電路與橋式整流電

路的輸出直流電壓值的差異。

以示波器CH1觀察輸出的整流波

形，並記錄於右圖中。

3 電容濾波電路

圖 6-23 電容濾波電路

將圖 6-23所示，電容濾波電路裝配於麵包板上。

基礎電子實習

166

完成裝配之後，請檢查電路是否正確，（注意電容的極性）可參閱圖

6-24裝配及量測示意圖。接上 AV 110V交流電壓。



量電容濾波電路的輸出端直流的

電壓為 V。

以示波器觀察輸出端漣波電壓的

波形，並記錄於下圖中。

計算此電容濾波電路的漣波因數

r = 。

4 穩壓電路（丙級技術士試題－音樂盒）

將圖 6-25所示，穩壓電路焊接裝配 85 mm×85 mm萬用板上。

完成裝配之後，請檢查電路是否正確，（注意電容的極性），可參閱圖

6-26電路佈局圖。接上 AV 110V交流電壓。

調整半可變電阻 SVR1觀察其輸出端電壓最大值為 V，最小值為

V。

調整半可變電阻 SVR1 使輸出端電壓為 12 V。


167

圖 6-25 穩壓電路

圖 6-26 電路佈局圖

問題與討論

試述直流電源電路的基本結構？

試述整流電路的功能及電路的型態？

濾波電路的功能為何？

漣波因數的定義為何？

串聯式穩壓電路的基本原理為何？

基礎電子實習

168

選擇題

6-1 （）中心抽頭式全波整流電路中，每個二極體之逆向峰值電壓

（PIV），至少應為峰值電壓的 (A)1 (B)2 (C)3 (D)4倍。

（）變壓器鐵芯使用疊成薄矽鋼片，其目的在於減少 (A)銅損失

(B)機械損失 (C)磁滯損失 (D)渦流損失。

（）台灣地區之電源，其週期為 (A)60秒 (B)1/60秒 (C)50秒

(D)1/50秒。

（）如下圖所用之電解電容器 C其耐壓最小要多少伏特以上？

(A)6 V (B)10 V (C)16 V (D)25 V。

（）如下圖電路為 (A)倍壓整流電路 (B)截波電路 (C)檢波電路

(D)濾波電路。

（）如下圖倍壓整流電路應為多少倍 (A)二倍 (B)三倍 (C)四倍

(D)六倍。

（）全波整流電路中，每只二極體的最大電流為 10 A，各串聯一只

0.1 電阻的目的，依下列敘述何者錯誤 (A)限流 (B)平衡兩

個二極體所通過的電流 (C)平衡兩個二極體所消耗的功率

(D)兩個二極體獲得熱平衡。


169

（）橋式整流的漣波頻率為電源頻率的 (A)2倍 (B)3倍 (C)4倍

(D)1倍。

（）下列整流電路，何者可得全波整流輸出 (A)A與B (B)B與C

(C)C與 D (D)A與 D。

A B

C D

（）半波整流電路，若輸入為正弦波 120伏特有效值，負載為純電

阻，則輸出 VDC 為 (A)54伏特 (B)70伏特 (C)108伏特

(D)162伏特。

（）橋式整流電路中的二極體 PIV值為峰值電壓的 (A)0.5倍

(B)1倍 (C)2倍 (D)4倍。

（）一直流電源供應器，無載時輸出電壓為 30 V，滿載時輸出電壓

為 25 V，則電壓調整率為 (A)16.6% (B)20% (C)60%

(D)83.3%。

（）把直流電力變成交流電力的裝置為 (A)整流器 (B)倍壓器

(C)濾波器 (D)變流器。

（）半波整流電中（含一個二極體及電容）二極體之最大反向電壓

約為電源峰值的 (A)1倍 (B)1.414倍 (C)2倍 (D)3倍。

（）有一電源電路之輸出端，利用直流電壓表測得 25V，利用交流

電壓表串聯一電容器測得 2.5 V，則其漣波百分比（r %）為

(A)1% (B)10% (C)9% (D)90%。

（）直流電源的頻率為 (A)∞Hz (B)0 Hz (C)50 Hz (D)100 Hz。

（）電度的單位為 (A)瓩時 (B)安培 (C)伏特 (D)瓦特。

基礎電子實習

170

（）若裝置一電源電路，輸出使用穩壓 IC 編號 7815，欲測量輸出

電壓時三用電表應置於何檔 (A)DC12V (B)AC12V (C)DC30V

(D)AC30V。

（）電源濾波用電解電容器會爆炸之原因為 (A)電源變壓器短路

(B)電解電容器極性接反 (C)電源頻率不對 (D)電解電容器耐

壓太高。

（）目前台灣超高壓電力系統最高電壓為多少？ (A)1.1 kV

(B)2.5 kV (C)161 kV (D)345 kV。

直流電源電路 -...

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