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2016.06.01 AC/DC

AC/DC的基础

AC/DC的基础

在此将说明AC(交流)电压转换成DC(直流)电压的基本方法,变压器方式和开关方式。此外,也将进行变压器方式和开关方式的比较探讨总述。

首先,“为何必须AC/DC转换?”让我们先回到原点。

Figure 1

图1

众所周知,日本的家庭或大楼的主要供电是AC的100V或200V。然而,大多数电器通过其中的电子电路操作,几乎都是利用5V和3.3V的DC电压工作。其中虽然有电机设备和白炽灯炮等,直接以AC电压驱动的设备,但最近电机和开关等较为单纯的设备,几乎无可避免地,都会配备电子控制电路,且全部的电子控制电路都以DC电压驱动。此外,市场也逐渐将白炽灯炮换成LED,只是如同大家所知般,LED基本上仍是以DC驱动的。也就是说,“从送电网传送过来的是AC,但因为相当于电子产品心脏的电子电路,是以DC驱动的,因此如果不将AC电压转换成DC电压,将无法启动电子产品”。以上是回答。相信大家会觉得“这样的话,一开始传送DC电源不就好了?”,但其实传送AC电源,是有其历史背景因素和理由的。

各位应该知道爱迪生在1881年时,发明了安装白炽灯泡的电灯。其实在当时的美国境内,是以供应DC电源为标准,爱迪生为了推广白炽灯泡,开始投入推行DC 110V送电网的事业。然而,传送DC电源时,会造成电压大幅度下降,因此传送范围无法超过1.5km,导致发电厂必须建造在街道的中。这话现在难以置信。尼古拉•特斯拉考察AC的发电、送电、使用方法,和爱迪生之间开始了电流战争。最后特斯拉方以能够轻易变压,且即使电线又细又长,传送电力时也不会造成太大损耗的AC系统获得胜利,而该结果也一直延续到现在。

AC的优点
  • AC电源只要使用变压器,就能轻松转换电压(升压、降压)。
  • 传送电力时能保持高电压/低电流,减轻电压下降的现象(I2R损耗)。
  • 能轻易将AC电源转换成DC电源,易于供应电力DC驱动设备。

其实发电厂送出数千至2万V的AC高电压后,在传送到一般住户前,再通过电线杆上的变压器,降压至100V和200V。

这是题外话,现阶段住宅内的插座供应AC电源,所以各设备必须自行安装AC/DC转换电路才行。对于该部分,从节能化和小型化的观点来看,不得不说多此一举,在最近各地测试运转和研究的智慧家居构想中,也曾考虑从住宅内的插座,直接供应DC电源的系统。虽然如此,但不代表电力送电网的设施能急速转变成DC,或者不必AC/DC转换。在该系统内,供应DC电源的家庭供电装置,仍须设定高功率和效率的大功率AC/DC转换器,以及在附近安装中功率的AC/DC转换器。

那么,再来谈论另一个基本知识。在前述内容中提到“能轻易从AC转变成DC”,但这属于“整流”作用,为AC/DC转换的根本,因此必须先了解其架构。

Figure 2

图2

图2为属于整流基本种类的全波整流,以及半波整流的作用。无论哪方,都是将输入的AC电压和二极管相接,抓到负向波的振幅。半波整流只使用1个二极管,来抓到负向波的振幅,因此负向波消失,只剩下一半的波形,故称半波。全波整流使用了由4个二极管组成的桥式二极管,能旋转负向波,让它出现在正向波区域内,而能显示全波形的就是DC。

DC化之后,利用电容器让波形平滑。但即使波形平滑仍会残存纹波(Ripple:脉流),其振幅纹波电压会因为电容器的容值和负载而出现变化。当电容器的容值和负载相同时,全波整流和半波整流相比,反而是全波整流的纹波电压会变小。

关键要点:

・从电子电路来看,AC/DC转换是DC电源的根本,因此必须先掌握住基础理论。

AC/DC转换的基础