電源供應器(二) 濾波(Filtering) 的基本概念在開始討論濾波之前有一點要先聲明: Filter 是一門較深奧的理論, 要徹底研究filters 少不了要用到“轉移函數”(transfer function) 之類的工具, 只好暫時割愛了. 等以後有機會時再來討論克希赫夫定律(Kirchhoff’s theorem), 網路與節點分析(mesh and nodal analysis), 拉普拉斯變換(Laplace transform). 對這些題材感興趣的朋友請您參考: Valley, Wallman: Vacuum Tube Amplifiers 第一章. (或是電路學的書籍, 如: Chua, Desoer, Kuh: Linear and Non-Linear Circuits, 第八章.)1. 基本方法.在上次的討論中, 我們知道一個整流子的輸出還不是穩定的直流. 現在我們要來處理整流子的輸出. 處理的越小心, 越精密, 會越接近完美的直流源。
最簡單的處理辦法是利用電容儲存能量及緩慢放電的特性. 將全波整流子的輸出並聯一個電容:讓我們來看這個電容在這裡產生的功能: 整流子的輸出是一個100/120 Hz, 上下振盪的訊號. 當電壓升高時, 電容開始充電, 電壓降低時電容開始緩慢放電, 在完全放電之前, 又再度開始下一波充電與放電的程序. 所以並聯一個電容的效果是把一個在0 伏特與V 伏特間劇烈振動的訊號變成一個振幅較小的漣波(ripple). 這個電容越大, 漣波的振幅dV越小, 也就是說越接近直流.理論上, 如果這個電容的電容值是無限大, 那麼這個濾波電容的輸出就是一個完美的直流. 但是, 世界上沒有完美的事物, 也因為物物皆有缺陷, 所以才會產生各種不同的方法, 想要補償不足, 科技才會不停的進步.對於這個漣波, 為了將來的需要, 我們把它分解成:左側這個直流稱為漣波的"載波", 右邊的只是一個AC 小訊號. 如此一來, 就可以把AC 與DC 分別處理. 也就不需要較多的數學了。
實際設計上面臨的首要的問題是: 要多大的電容? 理論上是越大越好, 電容越大儲存的能量越多. 一般而言, 為了能夠有足夠多的能量能儲存在這個電容裡, 這個電容的選擇應該遵守一個原則:f= 漣波頻率(120 Hz 或是100 Hz). 或是:另一個重要的問題是: 如何計算漣波起伏的電位差, dV? 漣波起伏的電位差的公式:最後, 二極體全波整流電容濾波後, 輸出電壓是1.414 x V. 但是, 這只是理想的數字. 實際應用時, 由於變壓器的"壓降" (regulation), 及電路的負載等因素, 請您使用第四節的公式計算實際的輸出電壓。
使用一個超大濾波電容的方式並不是非常理想的辦法. 除了"土法煉鋼" 以外, 您應該用並聯多個較小的電容的辦法, 逐漸減少漣波. 使用多個電容的效果絕對要比一個"大水缸" 好。
除了這個最基本的方法以外, 還有其他的方法。
2.R-C 濾波現在您應該知道為什麼整流子的輸出要經過濾波電容了吧。
另一個方法是使用低通濾波器(low-pass filter). 整流子的輸出是一個100/120 Hz 的訊號(外帶200/240 Hz, 300/360 Hz, …等高階諧波), 通過一個低通濾波器可以有效的減低這些100/120 Hz, 200/240 Hz, …的訊號. 第一種架設低通濾波器的方法是用一個電阻與一個電容:如果省略這個電阻R, 就是上一節所討論的內容. 但是, 還是有很多人在這裡放一個電阻. 電流流經這個電阻時, 能量的消耗是:不是大家都忘了這點, 而是這個電阻可以保護下游的電路, 避免整流子瞬間產生大量電流流入下游電路.R-C 濾波的缺點是會損失電流. 對於需要大電流的負載, R-C 濾波會損失大量的電能. R-C 濾波只有在電流需求不高的電路中使用較為妥當, 這時, R-C 濾波器的電阻可以發揮保護下游電路的功能. 當然, C-R-C 的設計比單純的R-C 好. 利用第一個電容產生一個漣波, 再加上R-C 濾波來濾除漣波, 架設成效果更好的C-R-C 濾波器.3.L-C 濾波另一種製造低通濾波器的方法是使用L-C 電路:在1960 年代設計的電路中, 前輩們經常使用一個"扼流圈" (choke) 之後另用一個電容, 如:電感利用電流把能量儲存在磁場裡. 當負載需要能量時, 這時電容兩端電壓會下降, 也會有電流流過L. 因為電流產生變化, 磁場儲存的能量轉變成電能. 這個電感產生的磁場會對周圍的小訊號產生一定的影響. 而且, 現在的扼流圈都比較昂貴. 但是當負載需要大量的能量時, L-C 濾波會是很有效的工具. 只要在PC 板layout 時小心設計, 就可以把磁場對周圍的影響減至最低. 當然您可以結合第一節的方法與L-C 濾波架設成C-L-C 濾波.從這裡看來, C-L-C 濾波似乎是萬靈丹. 可以達成C-R-C 的效果, 而無C-R-C 的缺點(R 會消耗能量). 但是事實並非如此. 等下一次我們再來仔細討論. C-R-C 或是C-L-C 濾波, 因為整流子之後的第一個被動元件是一個電容, 所以這類的濾波器稱為capacitor-input filters. 另一個L-C 低通濾波器的應用是喇叭的分音器。
4.R-C, L-C濾波公式（下列公式依工作頻率60Hz的橋式整流來計算的）設計時, 通常需要一些公式輔助, 計算輸出電壓. 這節的目的是把一些常用的公式整理一下, 以備不時之需。
Erms是濾波器輸入電壓, 也是變壓器次級標示電壓, 講得更白話, 就是用電表量到的電壓. Ripple factor 是漣波高低起伏與輸出電壓的比例.AC 頻率定為60 Hz.（如果工作頻率(f)不同，計算紋波係數需再乘以頻率係數(60/f )RL 是負載阻抗。
從這些公式, 您有沒有看出什麼規律? 提示: 輸入端第一個濾波元件是電容時, 輸出電壓是1.4 x Vin 再減去負載電流產生的壓降. 輸入端第一個濾波元件是電感時, 輸出電壓是0.9 x Vin, 與負載電流無關! 輸入端第一個濾波元件是電容時, 濾波器稱為是capacitor input. 輸入端第一個濾波元件是電感時, 濾波器稱為是choke input. 下一次我們要更深入的討論capacitor input filter 與choke input filter 的差別。
電源供應器(三) 電容輸入與電感輸入濾波之比較1. 開宗明義.在Langford-Smith 的Radio Designer Handbook中的第三十章，第1162 頁有一圖: 上圖的目的是要比較下列三種整流與濾波的差異:請您回想一下電源供應器(二) 的結論: “輸入端第一個濾波元件是電容時, 輸出電壓是 1.4 x Vin 再減去負載電流產生的壓降. 輸入端第一個濾波元件是電感時, 輸出電壓是0.9 x Vin, 與負載電流無關! 輸入端第一個濾波元件是電容時, 濾波器稱為是capacitor input. 輸入端第一個濾波元件是電感時, 濾波器稱為是choke input. 不管是choke input filters 或是capacitor input filters 在電源供應級輸出端的電壓總是小於理論值! 圖30.1B 正是要說明這些情況…圖30.1B 敘述圖30.1F 這類使用capacitor input 濾波器理想的工作情形: 有負載時(電源供應級輸出端的電壓小於理論值), 在電容C1 處, 電壓依照曲線ABA’B’變化. 電容C1 在AB 之間會充電, 在BA’之間時會放電.AQB 以上的斜線部份代表變壓器的電壓高於C1 點的電壓. 也就是說只有在AB 或是A’B’之間時才會有電流流經整流管(二極體整流時亦然), 因為在其他的時段C1 的電壓比變壓器高! (請您想一下: 當C1的電壓比變壓器輸出電壓高時會發生什麼事情?提示: 電流會倒流!) 圖30.1 C 的斜線部分代表流經整流管的電流. 您有沒有注意到: 這個流經整流管的電流並不連續, 是一個脈衝的形式! 使用真空管整流的好處是真空管本身有緩和這個電流脈衝的作用. 如果使用二極體整流, 二極體會立刻反應這個電流脈衝, 產生大量電流流入下游電路。
圖30.1 D的斜線部分代表使用choke input 的濾波級時, 流經整流管的電流: 穩定的電流. 同時整流子與變壓器也不需承受脈衝電流的壓力。
2. 圖30.1C 脈衝電流的計算.現在讓我們來實際計算一下: 使用capacitor-input 濾波時, 電流脈衝有多大？在下圖中, 假設變壓器次級電壓是240V (峰值電壓會達1.414 x 240 = 340V), 濾波電容68 mf：讓我們複習一下電容的一個特性. 電容, 電壓與電荷的關係是: Q = CV. 在這個公式裡, C 是固定的常數, 當V 在極短時間dt 內有小量的變化dV 時, 儲存在電容裡的電荷也會跟著改變: dQ. 他們對時間的變化率是:但是, 我們知道電荷對時間的變化率就是電流. 所以:大家一定都知道交流電的電壓對時間關係是一個正弦函數, 也就是說:其中Vpeak 代表峰值電壓. 代入上式:這個式子告訴我們: I 與V 有著90 度的相位差. 如果忽略相位, 只看大小:在這個例子裡, Vpeak = 340V, C = 68 mf, f = 60, 所以:這是當這個電容充電時流經電容的峰值電流. 這也是當這個電容充電時, 整流子或整流管必須要供應的電流. (註解: 8.7A 是理論上的最大值, 當負載電路消耗較小時, I 也會較小. 如果回去看第一節的電流脈衝波形, 大概有人還沒什麼感覺. 但是傅立葉變換後, 您要小心不要被嚇一跳: 高階諧波一直高到RF!)您注意到了嗎? 當C 越大時, I 越大(整流子的負擔越重). 這是使用真空管整流時, 第一個濾波電容不能太大的主要原因。
3. 扼流圈(Choke) 的選擇Choke 的單位是: 亨利(Henry)，如果一個choke 標示2H, 這表示這個choke 是 2 Henry。
選擇choke 時, 您要知道負載電路在靜態(無輸入訊號) 時所需的電流. 假設負載電路靜態電流是Imin, 變壓器次級電壓Vin, choke 至少需要:L (H) = Vin / Imin (mA) for 60 Hz. (for 50Hz: L(H) = 1.1 x Vin (V) / Imin (mA).) 例如: Vin = 240 V, Imin = 120 mA, 60Hz, choke 至少需要240/120 = 2H. (50Hz, choke 至少需要1.1 x 240 / 120 = 1.1 x 2 = 2.2 H.)Choke 還有另外一個標示: 最高承受電流. 您要注意: 電路所需的最大電流要小於choke 標示的最高承受電流。