非穩壓電源

非穩壓電源是最簡單的電源結構。

幾乎所有電子設備和電路都需要某種形式的直流電源來運行，這些電源可以來自電池、太陽能電池或連接到市電的非穩壓電源。

雖然電池具有體積小、便攜且無紋波的優勢，但它們需要頻繁更換（或充電），并且與傳統直流電源相比成本較高。

由于在我們的家庭、學校和工作場所中，我們有一個方便、可靠且經濟的電源來源，因此使用家用交流電源為我們的電路供電是合理的。然而，市電交流電壓（通常為220-250 V有效值）遠高于電池提供的較小直流電壓。將這種較高的交流電壓轉換為較低的直流電壓的過程稱為整流。

整流是將交流電轉換為直流電的過程。在二極管教程中，我們看到二極管只在一個方向（從陽極到陰極）導通電流，而在反向則不導通。二極管僅在一個方向切換電流的能力使其非常適合將雙向交流電轉換為恒定的直流電或直流電源，如圖所示。

二極管整流器

二極管整流器

我們可以看到，二極管的交流輸入是一個在正半周期和負半周期之間交替的正弦波，而二極管的輸出是整流后的直流電，其波形僅從正電壓到零伏，負半周期被阻斷。這種類型的輸出波形稱為“半波脈動直流電”。

半波非穩壓電源

電源的目的是在指定的電壓和電流水平下提供所需的電能，例如+9伏特，500毫安。任何電源的電氣特性將取決于所供電的電路，但通常所有非穩壓電源都由一個變壓器組成，用于將市電交流電壓降至所需水平并提供電氣隔離，以及一個二極管整流器以提供不穩定的輸出電壓。

考慮下面的半波非穩壓電源電路。

半波非穩壓電源

半波非穩壓電源

市電輸入施加到主變壓器T1的初級繞組，變壓器的次級繞組向整流二極管D1提供低壓交流電。產生的輸出波形包含一個直流電壓水平，該水平大約等于峰值電壓的1/π或0.318。

例如，如果正弦峰值電壓為10伏特，則等效直流輸出將為：0.318 x 10 = 3.18伏特。因此，為非穩壓電源選擇合適的電壓變壓器非常重要。

正如我們上面所看到的，二極管的輸出波形是脈動直流電。顯然，這種脈動直流電壓不適合為大多數電子電路供電，因為與理想的直流電池電源相比，電源電壓變化較大且迅速，而且在負半周期期間50%的時間內完全沒有電源電壓。

通常在整流交流電壓時，我們希望產生一個穩定的直流電壓，就像我們從電池電源中獲得的那樣，并且沒有上述波形變化。克服這個問題的一種方法是在輸出端子上添加一個平滑電容器，有效地將其與負載并聯。

我們知道電容器具有在其板上存儲電荷的能力，我們可以利用這種能力來幫助平滑一些脈動波形。電容器C1，通常稱為平滑電容器或儲能電容器，在正半周期期間通過正向偏置的二極管充電。電容器板上的電荷量取決于變壓器T1的正峰值輸出電壓和電容器的值，因為電荷Q等于V x C（電壓x電容）。

當T1的輸出電壓開始降至零時，充電的電容器現在接管向負載供電。在某個點，T1的輸出電壓越過零并提供負半周期，這使二極管反向偏置進入截止狀態。在這個半周期期間，電容器C1向負載提供所有電流，并以負載的時間常數確定的速率放電。

在下一個正半周期，變壓器T1再次接管控制，向負載供電，并繼續這樣做，直到T1的輸出電壓再次回到其正峰值。在此期間，C1再次充電，并在T1的電壓再次下降時向負載提供輸出電流，直到T1的下一個正峰值電壓，如圖所示。

半波整流器波形

半波整流器波形

由于電容器C1不能具有無限大的值，它不能提供完全平滑的直流輸出電源，在某些情況下，這可能表現為鋸齒波形。由于電容器無法保持穩定輸出而導致的輸出波形變化稱為“紋波”，并且每個交流輸入周期都會產生紋波。換句話說，對于半波整流電路，脈動直流紋波頻率將等于輸入交流頻率。

輸出波形上的紋波量取決于負載的特性，但對于給定的電容器值，較大的負載電流（較小的負載電阻）會使電容器放電更多，從而增加輸出波形的紋波含量。

你可能會想，為什么不使用更大值的電容器來減少紋波含量，但使用大平滑電容器（通常是電解電容器）在成本、尺寸和增加其值超過某一點后不會顯著減少紋波方面存在限制。此外，使用大值平滑電容器可能需要通過二極管橋提供非常大的充電電流。然而，通過在輸出端子上并聯添加更多不同值的電容器，可以改善非穩壓電源提供的輸出電壓中的紋波含量。

全波非穩壓電源

我們已經看到，半波非穩壓電源的輸出電壓很難濾波到平滑的直流水平，因為輸出電壓和電流僅在每個輸入周期的一半時間內施加到負載上。此外，半波非穩壓電源的另一個缺點是變壓器提供的電容器充電脈沖之間的相對較長時間，需要使用相對較大的電解型平滑電容器。

然而，如果我們在電路中添加第二個整流二極管，使得輸入的每個半周期，而不是每隔一個半周期，都對整流輸出波形有貢獻，紋波含量將大大減少，這可以通過使用全波非穩壓電源來實現。

全波非穩壓電源與其半波版本的不同之處在于使用了一個帶有中心抽頭次級繞組和兩個整流二極管的主變壓器，如圖所示。

全波非穩壓電源

全波非穩壓電源

我們可以看到，次級繞組的兩半有效地饋送到上述類型的單獨半波整流電路，兩個輸出結合在一起并由公共平滑電容器C1平滑。

兩個二極管D1和D2以推挽式布置工作，因為變壓器次級接地（0V）以在上半和下半次級繞組之間創建180度的相位差。然后上半部分提供正電壓，下半部分提供負電壓。

當交流輸入波形為正時，T1次級上半部分產生正電壓，正向偏置二極管D1，使其“開啟”，而T1次級下半部分產生的相應負電壓反向偏置二極管D2，使其“關閉”。然后電流僅通過二極管D1供應到負載。

當交流輸入波形變為負時，T1次級上半部分產生負電壓，使二極管D1“關閉”，而T1次級下半部分產生正電壓，正向偏置并使二極管D2“開啟”。然后電流僅通過二極管D2供應到負載。

然后兩個二極管和中心抽頭變壓器將次級繞組上產生的雙向交流電流交替切換到負載。產生的輸出波形包含一個直流電壓水平，該水平大約等于峰值電壓的2/π或0.636。

例如，如果正弦峰值電壓為10伏特，則等效直流輸出將為：0.636 x 10 = 6.36伏特，是半波整流器的兩倍，如圖所示。

全波整流器波形

全波整流器波形

這種全波非穩壓電源電路的優點是它需要的平滑電容器值約為半波電路所需的一半，因為它在全波電路中充電頻率是半波電路的兩倍，因此對于給定的負載電流，放電量較小。

此外，由于每個輸入周期有兩個半周期出現在平滑電容器上，紋波含量將較低，紋波頻率將是輸入頻率的兩倍。例如，如果正弦輸入頻率為50Hz，則紋波頻率將為100Hz。因此，這種較高的紋波頻率更容易平滑任何波動。

非穩壓電源總結

非穩壓電源的主要缺點之一是其輸出電壓受市電電壓變化和負載電流變化的顯著影響。隨著負載消耗更多電流，直流端電壓下降。

此外，半波非穩壓電源產生的輸出波形具有大約0.318 x Vpeak的直流水平以及類似于鋸齒波形的大交流變化。這種輸出波形通常稱為脈動直流電壓。

為了去除一些交流成分，使用平滑電容器允許直流成分通過并將交流減少到小紋波。半波整流器產生的紋波頻率與輸入頻率相同。

增加直流輸出電壓、減少波形紋波含量和提高效率的一種方法是使用全波整流器，它由兩個二極管和一個中心抽頭變壓器組成，以在次級繞組的每一半上生成兩個相等且相反的波形。全波非穩壓電源的主要缺點是對于給定的輸出功率，它需要更大的變壓器。

半波非穩壓電源是將交流電轉換為脈動直流電的廉價且簡單的結構。我們已經看到，平滑電容器可以用于將整流器的脈動直流電（無論是半波還是全波）轉換為相當平滑且無紋波的直流電源，以為電子電路供電或為電池充電。