整流器:修订间差异
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{{Otheruses|變壓器|subject=將交流電轉換成直流電的電子元件|other=升高或降低電壓的裝置}}
{{noteTA
|G1=Electronics
|G2=物理學
}}
[[File:Rectification.svg|thumb|300px|交流訊號、半波整流、全波整流。]]
{{模板:電力工程側邊欄}}
'''整流器'''
整流器一般指能把AC轉成DC的那一組二極體的總稱,但在半波整流只用到一個二極體時,這個二極體也就是整流器。
整流作用有時並不一定是單純用來作為產生直流之用。早期的[[礦石收音机]]使用被暱稱為「貓鬚」(
== 基本整流電路 ==
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[[File: 3_phase_bridge_rectifier.svg |thumb|200px|三相橋式整流器。]]
三相交流,使用六個二極體。通常有三對的二極體,不過,每一對
[[File:Getting_behind_the_tridge_rectifier.jpg|thumb|130px|拆卸汽車交流發電機,顯示六個組成一個全波三相橋式整流二極體。]]
生成交流(這樣的設備被稱為交流發電機)的大多數設備生成三相交流。
<center> <math>V_{dc}=V_{av}=\frac{2V_p}{\pi}</math></center>
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倍壓整流的方式不只一種。
最簡單的倍壓整流(二倍)方式是利用兩組簡單的半波整流,以指向相反的二極體分別生成兩個正負不同的電源輸出,並分別加以濾波。連接正負兩端可得到交流輸入電壓兩倍的輸出電壓。此種電路稱為'''德隆電路'''(
上述德隆電路可以衍生出另一種變體:在橋式整流的輸出端使用兩個相串聯的電容器作為濾波電容,在濾波電容的中點與與交流輸入的一端間聯接一個開關。當開關切離時,這個電路會像一個正常的橋式整流;當開關接通時,就會成為前述的德隆電路,產生倍壓整流的作用。舉例來說,當交流輸入為100~120V時,可讓開關為通路;當交流輸入為220~240V時,可讓開關為斷路;這樣便使它很容易在世界上任何電源間切換,產生大約320V(±15%左右)的直流電壓,以送入一個相對簡單的開關模式電源。
[[File:Greinacher_Schaltung.svg|thumb|200px|'''倍壓整流''',此電路為'''格賴納赫電路''']]
另一種倍壓整流是'''格賴納赫電路'''(
格賴納赫倍壓電路可以繼續添加二極體和電容器的級聯,而形成多倍電壓的電壓倍增器,稱為{{link-en|考克饒夫-沃爾頓產生器電路|Cockcroft–Walton generator}},當時是用於[[粒子加速器]]。這樣的倍壓電路雖可以提供幾倍於輸入交流峰值的電壓,但電流輸出和電壓穩定度則受到限制。此類電壓倍增器電路常用來提供高電壓予舊式[[電視機]]的[[陰極射線管]](CRT)、[[光電倍增管]]、或電蚊拍。
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== 整流器輸出電壓平滑化 ==
半波整流和全波整流之後所输出的直流电,都還不是恒定的直流电压。为了从交流电源整流产生稳定的直流电,需要加入濾波电路,使輸出電壓平滑化<ref name=dcp>{{cite web|url=http://digitalcontentproducer.com/mag/avinstall_ac_dc/ |title=News, Features, Reviews, Forums and Resources for the Professional Content Creator - Creative Planet Network |website=digitalcontentproducer.com |deadurl=yes |archiveurl=https://web.archive.org/web/20120216013948/http://digitalcontentproducer.com/mag/avinstall_ac_dc/ |archivedate=2012-02-16 }}</ref>。最簡單的濾波电路就是在整流器的輸出端加上一個能儲存電能的電容器,通常稱為濾波電容,即平滑電容(smoothing capacitor)。但此一濾波電容並不能百分之百消除交流電源的[[漣波]]。▼
▲半波整流和全波整流之後所输出的直流电,都還不是恒定的直流电压。为了从交流电源整流产生稳定的直流电,需要加入濾波电路,使輸出電壓平滑化<ref name=dcp>http://digitalcontentproducer.com/mag/avinstall_ac_dc/</ref>。最簡單的濾波电路就是在整流器的輸出端加上一個能儲存電能的電容器,通常稱為濾波電容,即平滑電容(smoothing capacitor)。但此一濾波電容並不能百分之百消除交流電源的[[漣波]]。
[[File:RC_Filter.png|thumb|400px|經過濾波的整流器,顯示出平滑效果]]
濾波電容的數值大小需要取捨。當給定負載時,電容值愈大則漣波愈低,但也造成成本愈高、通電瞬間的充電電流也愈大,整流二極體與變壓器線圈如不能承受可能燒毀或降低壽命,又如多個大電容的裝置同時啟動,也可能造成交流電源的波形扭曲失真,影響其它電路。若在整流器後加入大容值的濾波電容,可以加入[[緩啟動]]電路,限制充電電流。
給定可容忍的波紋(漣波)大小後,所需的濾波電容容量大小與負載電流成正比,並與供電頻率和每個輸入週期整流輸出峰值的數量成反比。負載電流和供電頻率通常由外部決定,非整流系統設計者所能控制,但每個輸入週期高峰的數目則可以由整流器設計者選擇:
半波整流的輸出,在每個週期只會有一個高峰,基於這個和一些其他原因,使半波整流一般僅用在電流較小的情況。全波整流的輸出,在單相交流的場合,每個週期會有兩個山峰;三相交流輸入三相橋式整流則每個週期會輸出六峰;更多的峰數則可以藉由在三相整流器前加入適當的的變壓器網路,產生更多相位順序而獲得。
若要進一步減少漣波,可以使用一個電容輸入濾波器,輸入端的第一個濾波電容之後是一個扼流圈(電感器)和第二個的濾波電容的儲能電路,以便把可以跨接線端與濾波電容器得到穩定的直流輸出。扼流圈對漣波電流有很高的阻抗
如果直流負載需要較嚴格的平順直流電壓,則可以使用一個[[穩壓器]],以應付供電變化和負載特性的變化。
== 應用 ==
▲整流器的主要應用是把交流電源轉為直流電源。由於所有的電子設備都需要使用直流,但電力公司的供電是交流,因此除非使用電池,否則所有電子設備的電源供應器內部都少不了整流器。
至於把直流電源的電壓進行轉換則複雜得多。直流-直流轉換的一種方法是首先將電源轉換為交流(使用一種稱為[[逆变器]]的設備),然後使用變壓器改變該交流電壓,最後再整流回直流電源。
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[[File:Regulated rectifier.gif|thumb|控制晶閘管導通相位時的全波整流輸出電壓]]
整流裝置也用於提供電焊時所需固定极性的電壓。這種電路的輸出電流有時需要控制,此時會以
晶閘管也用于各級鐵路機車系統中,以實現牽引馬達的微調。[[可關斷晶閘管]](GTO)則可用於從直流電源產生交流,例如在Eurostar列車上使用此方式提供三相牽引馬達所需的電源
</ref>.▼
== 整流技術 ==
=== 機電(Electromechanical)方式 ===
早期電力轉換系統是純電機的設計,因當時的電子設備尚不足以用來處理大電力。這種機械整流系統通常依賴某種形式的旋轉或振動共振以便有足夠快的速度配合輸入電源的頻率,其操作頻率最高只能到幾千赫茲。由於機械系統的複雜性,傳統上需要高程度的維護,以確保正常運行。因應運動部件的摩擦,需要加以潤滑並在磨損時予以置換。運轉中,轉為開路中的機械接點會發生[[電弧]]和火花,因而發熱並腐蝕該接點。
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在[[電力機車]]中,可能會使用同步整流器將交流電流轉換成直流電流。機電式同步整流包括一個同步馬達以驅動一組重型電氣接點。馬達的旋轉與交流頻率同步,並定時在正弦電流經過零的時候,改變連接方向,產生整流作用。該接點在切換瞬間並沒有大電流,但持續接觸時需要能夠承載機車頭的直流牽引馬達所需的大電流。
==== 谐振
谐振子整流器主要由作为[[諧振子|谐振子]]的[[干簧管]]和作为激励源的[[電磁鐵|电磁铁]]构成,通常用于低壓交流电的整流。工作時,干簧管内的干簧在电磁铁激励下共振,从而按照一定周期接通电路,达到整流目的。特别的,还有一种用于直流升压的谐振子整流器:在变压器铁芯上装备两个干簧管,一个用于将低压直流电变为断续的电压,经变压器升压后再由另一组谐振子整流器整流为较高电压的直流电。
==== 馬達與發電機組合 ====
{{main|電動發電機|回轉變流機}}
馬達與發電機組合或似的旋轉轉換器,實際上不會糾正電流方向,意義上不算真正的整流器,但它可以從交流電源生成直流電源。這個組合中其實是交流馬達與直流發電機兩者的轉軸直接以機械方式耦合。交流馬達帶動直流發電機,電樞(armature)的線圈繞組感應出多相交流,經整流子(commutator,這裡的整流子是指用於馬達與發電機內的一個機電構造)換向後轉換成直流電流輸出。如使用同極發電機(homopolar generator),此發電機內就無需整流子。在高功率半導體廣泛應用之前,馬達與發電機組合使用在供應直流予鐵路牽引馬達、工業電動機和其他高功率直流用途,例如室外劇院放映機的碳精[[電弧燈]]。
=== 電解式 ===
電解整流<ref><cite>Hawkins Electrical Guide, 1917, Chapter 54: Rectifiers</cite></ref>是1900年代的早期設備,現早已不再使用。當兩個不同的金屬懸於電解質溶液中時,可以發現某一方向的電流流動比另一方向阻力較小。最常用的是鋁陽極和鉛或鋼鐵陰極,懸於正磷酸三銨(triammonium orthophosphate)的溶液中。整流作用的形成是由於鋁電極第一次通過大電流時會在表面形成對氫氧化鋁的薄層。此種整流過程對溫度敏感,若要有最佳效率,不可在86 °F(30 °C)以上運作。此外,它的擊穿電壓是指會造成電極上的薄層被穿透而發生短路的電壓。電化學整流往往比機械的整流方法更脆弱,對相關變異因數很敏感,並可能產生劇幅特性改變或完全破壞。在同一時代,相似的電解設備,例如在正磷酸三銨溶液槽內掛起許多鋁錐,用來作為避雷器(lightning arrestor)使用。與當作整流器時的不同點是只有鋁電極,並用於交流,沒有極化與整流操作,只是化學成份類似
=== 等-{}-離子(Plasma,又稱電-{}-漿)形式 ===▼
▲電解整流<ref><cite>Hawkins Electrical Guide, 1917, Chapter 54: Rectifiers</cite></ref>是1900年代的早期設備,現早已不再使用。當兩個不同的金屬懸於電解質溶液中時,可以發現某一方向的電流流動比另一方向阻力較小。最常用的是鋁陽極和鉛或鋼鐵陰極,懸於正磷酸三銨(triammonium orthophosphate)的溶液中。整流作用的形成是由於鋁電極第一次通過大電流時會在表面形成對氫氧化鋁的薄層。此種整流過程對溫度敏感,若要有最佳效率,不可在86 °F(30 °C)以上運作。此外,它的擊穿電壓是指會造成電極上的薄層被穿透而發生短路的電壓。電化學整流往往比機械的整流方法更脆弱,對相關變異因數很敏感,並可能產生劇幅特性改變或完全破壞。在同一時代,相似的電解設備,例如在正磷酸三銨溶液槽內掛起許多鋁錐,用來作為避雷器(lightning arrestor)使用。與當作整流器時的不同點是只有鋁電極,並用於交流,沒有極化與整流操作,只是化學成份類似。<ref><cite>Cyclopedia of Applied Electricity, Vol-II, American Technical Society, Chicargo, 1924, Page 487: Alternating Current Machinery</cite></ref>電解電容器是現代大多數整流濾波電路的必要組成部分之一,它正是從電解整流器發展出來的。
約在1909年到1975年間,高壓直流的電源傳輸系統與工業加工中使用的整流器是水銀整流器,或稱汞弧管。該設備被包於蒜頭型玻璃容器或大金屬桶。一個陰極淹沒在水銀池的底部,多個高純度石墨電極作為陽極在懸於水銀池上。可能還有幾個輔助電極以作啟動和維持電弧之用。當電弧在陰極池和懸浮的陽極間發生時,電子束將可藉電離化的水銀,由陰極流向陽極,但無法反向。[原則上,這是一個高功率型的火焰整流器,與火焰中自然存在的電漿具有的單向電流傳輸特性相同]。這些設備可用於數百千瓦等級的功率、可處理一至六相的交流。從1970年代中期起,汞弧整流器被矽半導體整流器和大功率晶閘管電路所取代。史上最強大的汞弧整流器安裝在加拿大[[馬尼托巴水電局]]納爾遜河[[高壓直流輸電|雙高壓直流輸電系統]]專案中,額訂容量總和超過一百萬千瓦,450,000伏特
▲=== 等離子(Plasma,又稱電漿)形式 ===
| url=http://www.amazon.com/gp/reader/1402078900/ref=sib_fs_top?ie=UTF8&p=S00T&checkSum=kIuBlcbI0cpOJz1UiVfSKdIqFhPcDOXQ98WG3SabLpA%3D#reader-link▼
▲==== 水銀電弧 ====
▲約在1909年到1975年間,高壓直流的電源傳輸系統與工業加工中使用的整流器是水銀整流器,或稱汞弧管。該設備被包於蒜頭型玻璃容器或大金屬桶。一個陰極淹沒在水銀池的底部,多個高純度石墨電極作為陽極在懸於水銀池上。可能還有幾個輔助電極以作啟動和維持電弧之用。當電弧在陰極池和懸浮的陽極間發生時,電子束將可藉電離化的水銀,由陰極流向陽極,但無法反向。[原則上,這是一個高功率型的火焰整流器,與火焰中自然存在的電漿具有的單向電流傳輸特性相同]。這些設備可用於數百千瓦等級的功率、可處理一至六相的交流。從1970年代中期起,汞弧整流器被矽半導體整流器和大功率晶閘管電路所取代。史上最強大的汞弧整流器安裝在加拿大[[馬尼托巴水電局]]納爾遜河[[高壓直流輸電|雙高壓直流輸電系統]]專案中,額訂容量總和超過一百萬千瓦,450,000伏特。<ref>運作中的水銀整流器圖片見:[http://www.subbrit.org.uk/sb-sites/sites/b/belsize_park_deep_shelter/index14.shtml 倫敦Belsize Park地下深處的水銀整流器之一], [http://www.subbrit.org.uk/sb-sites/sites/b/belsize_park_deep_shelter/index13.shtml 倫敦Belsize Park地下深處的水銀整流器之二]</ref><ref name=sood1>{{cite book
▲|url=http://www.amazon.com/gp/reader/1402078900/ref=sib_fs_top?ie=UTF8&p=S00T&checkSum=kIuBlcbI0cpOJz1UiVfSKdIqFhPcDOXQ98WG3SabLpA%3D#reader-link
▲| title= HVDC and FACTS Controllers: Applications Of Static Converters In Power Systems
| author=Vijay K. Sood
| page=1
| publisher=Springer-Verlag
| isbn=978-1402078903
| quote=
| access-date=2009-08-10
| archive-date=2021-11-22
| archive-url=https://web.archive.org/web/20211122055528/https://www.amazon.com/gp/reader/1402078900/ref=sib_fs_top?ie=UTF8&p=S00T&checkSum=kIuBlcbI0cpOJz1UiVfSKdIqFhPcDOXQ98WG3SabLpA%3D#reader-link
| dead-url=no
==== 氬氣真空管 ====
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=== 真空管(又稱真空閥、熱離子閥) ===
自[[愛迪生效應]]或稱[[熱離子發射]]發現之後,有多種真空管被開發出來,用以對交流進行整流。其中低功率型用作檢波,例如最早的真空管二極管是由弗萊明(John Ambrose Fleming)於1904年發明的弗萊明閥(
=== 固態整流器 ===
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{{main|金屬整流器}}
在小巧便宜的矽質半導體構成的固態[[二極體整流器]]廣泛流行之前,常見的是就是硒(Se, Selenium)及氧化銅整流器。這種整流器以不同金屬板的交錯堆疊,並利用硒與銅氧化物間的半導體屬性<ref>
這些整流器的典型構造是由金屬板與墊圈堆疊而成,並由中央的螺栓固定。堆疊的組數由耐壓決定;每組單元的額定耐壓約為20伏特。汽車電池充電機的整流器可能只需要一組單元:真空管用的高壓電源可能需要很多組單元堆疊而成。以空氣冷卻方式的硒堆疊中的電流密度,約是600 mA/每平方英寸的有效作用區域。(約相當於90 mA/每平方釐米)。
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== 近期發展 ==
=== 高速整流器 ===
由美國愛達荷國家實驗室(INL)的研究人員提出的高速整流裝置,置於螺旋奈米天線的中心,並可將紅外線頻率的電能從交流轉成直流<ref>[https://inlportal.inl.gov/portal/server.pt?open=514&objID=1269&mode=2&featurestory=DA_101047 ''Harvesting the sun's energy with antennas''] {{Wayback|url=https://inlportal.inl.gov/portal/server.pt?open=514&objID=1269&mode=2&featurestory=DA_101047 |date=20150314061259 }}(2007). Idaho National Laboratory. Accessed on 3 October 2008.</ref>。一般紅外頻率範圍從0.3到
▲由美國愛達荷國家實驗室(INL)的研究人員提出的高速整流裝置,置於螺旋奈米天線的中心,並可將紅外線頻率的電能從交流轉成直流<ref>[https://inlportal.inl.gov/portal/server.pt?open=514&objID=1269&mode=2&featurestory=DA_101047 ''Harvesting the sun's energy with antennas''](2007). Idaho National Laboratory. Accessed on 3 October 2008.</ref>。一般紅外頻率範圍從0.3到400 THz,但INL文章內並未精確說明該研究所用的頻率範圍。
=== 單分子整流器 ===
{{le|單分子整流器
== 參見
{{portal|電子學}}
* [[二極體]]
* [[電容器]]
* [[逆變器]]
* [[
* [[漣波]]
* [[Vienna整流器]]
== 參考資料 ==
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{{Authority control}}
[[Category:電子技術]]
[[Category:電力工程]]
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[[Category:電子元件]]
[[Category:功率電子學]]
[[Category:整流器]]
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