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AC/DC的基礎

2022-03-10 19

在此將說明AC（交流）電壓轉換成DC（直流）電壓的基本方法，變壓器方式和開關方式。此外，也將進行變壓器方式和開關方式的比較探討總述。

首先，“為何必須AC/DC轉換？”讓我們先回到原點。

眾所周知，日本的家庭或大樓的主要供電是AC的100V或200V。然而，大多數電器通過其中的電子電路操作，幾乎都是利用5V和3.3V的DC電壓工作。其中雖然有電機設備和白熾燈炮等，直接以AC電壓驅動的設備，但最近電機和開關等較為單純的設備，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都以DC電壓驅動。此外，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，但因為相當于電子產品心臟的電子電路，是以DC驅動的，因此如果不將AC電壓轉換成DC電壓，將無法啟動電子產品”。以上是回答。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，發明了安裝白熾燈泡的電燈。其實在當時的美國境內，是以供應DC電源為標準，愛迪生為了推廣白熾燈泡，開始投入推行DC 110V送電網的事業。然而，傳送DC電源時，會造成電壓大幅度下降，因此傳送范圍無法超過1.5km，導致發電廠必須建造在街道的中。這話現在難以置信。尼古拉?特斯拉考察AC的發電、送電、使用方法，和愛迪生之間開始了電流戰爭。最后特斯拉方以能夠輕易變壓，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，就能輕松轉換電壓（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，易于供應電力DC驅動設備。

其實發電廠送出數千至2萬V的AC高電壓后，在傳送到一般住戶前，再通過電線桿上的變壓器，降壓至100V和200V。

這是題外話，現階段住宅內的插座供應AC電源，所以各設備必須自行安裝AC/DC轉換電路才行。對于該部分，從節能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家居構想中，也曾考慮從住宅內的插座，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，仍須設定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。

那么，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”，但這屬于“整流”作用，為AC/DC轉換的根本，因此必須先了解其架構。

圖2為屬于整流基本種類的全波整流，以及半波整流的作用。無論哪方，都是將輸入的AC電壓和二極管相接，抓到負向波的振幅。半波整流只使用1個二極管，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個二極管組成的橋式二極管，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化之后，利用電容器讓波形平滑。但即使波形平滑仍會殘存紋波（Ripple：脈流），其振幅紋波電壓會因為電容器的容值和負載而出現變化。當電容器的容值和負載相同時，全波整流和半波整流相比，反而是全波整流的紋波電壓會變小。

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