电源供应器 (一) 整流【转帖】

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电源供应器 (一) 整流【转帖】
  
摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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前言：Steve Sun（孙恩宏）兄也算是DZ的老读者了。目前人在Boston担任通讯系统分析研究的孙博士，从一年前就开始着手撰写一系列与电子电路基础技术相关的文章，目前在DZ手上已经有多篇存稿。这篇文章，经过Steve Sun多次的修改、校正，内容非常浅显易懂，如果您也有兴趣对电子电路有更深入的了解，不妨多看几次，如果有任何疑问？也请在讨论区发言，我们将尽力的为各位解答。

本文：两年前刚刚从网上认识谭孝文兄时, 谭兄就一直说想找个朋友一起学习, 比较不孤单. 开始时, 什么都不懂, 边念书边讨论, 一年下来从孝文兄和 Bruce 那里学到了很多, 刚好碰到立民兄 “力邀”, 所以就有了写文章的念头, 想把这两年的读书心得与大家分享. 请您不要客气, 有问题大家一起讨论, 碰到小弟犯错时, 也请您指正 让我有改进的机会.

如果您玩音响玩的和我们一样疯狂, 想走上设计这条路, 朋友们您并不孤单, 让我们一起来学习吧.



图说：这是Steve Sun家中的聆听室，面积为12呎*14呎。


电源供应器 (一): 整流

孙恩宏/Steve Sun

1. 参考书籍

在写这一系列文章时, 我主要的参考书籍有:
[BR] Bruce Rozenblit: Beginner’s Guide to Tube Audio Design, Audio Amateur Press, 1997. 这是一本非常好的真空管设计入门书. 是我读的第一本真空管电子学的书.

[MJ] Morgan Jones: Valve Amplifiers, 2nd ed., Newnes, 1999. 这也是一本非常好的真空管设计入门书, 含盖\的题材比 Bruce 的书多.

[VW] Valley, Wallman: Vacuum Tube Amplifiers, McGraw-Hill, 1948. 二次大战时, 美国与英国为了要侦测德国的轰炸机, 美国国防部委托当时位于波士顿的麻省理工学院 (MIT) 研发雷达科技. 因为所有的研究都由 MIT 一手包办, MIT 为了要保密, 对外只公布成立了 Radiation Laboratory. 大家也认为 Radiation Lab 的成立是要发展通讯器材. 但是, Radiation Lab 事实上集合了全美科技精英, 从事雷达设备的研发. 战后, MIT 为了要保护研发成果, 于1948年出版了一套书: MIT Radiation Lab Series, 共 28 本, 总结当时的成果. Valley, Wallman 的Vacuum Tube Amplifiers 是这系列丛书的第十八本. 其中详述当时最先进的真空管扩大机技术. 这本书中讲述的真空管扩大机都是为了在雷达上应用, 由于是极高频的应用, 所以处理放大电路时, 可以看到他们小心翼翼, 决不放过任何细节. 虽然这本书是在 1948 年出版, Radiation Lab 也变成现在的 Lincoln Lab. 这本书在真空管扩大机设计师的心目中, 仍旧是一本 “圣经”. Audio Amateur Press (AAP) 在 2000 年推出了重印版. 是这本书的第四次再版.

[LDA] Landee, Davis, Albrecht: Electronic Designers\' Handbook, McGraw-Hill, 1957. 这是一本在设计电路时非常有用的书. 已经绝版. 如果您在旧书店或是 Amazon.com 上看到它, 您应该把它带回家供奉在书架上.

[T] Tremaine: Audio Cyclopedia, 2 nd ed., SAMS,1969. 又是一本绝版书. 全书 1757 页. 此书在美国的二手书市场上叫价已经超过一百美金, 但是有这本书的人还是紧抱着不放. 自己想办法找一本吧!

[RDH] Langford-Smith: Radiotron Designer\'s Handbook, 4th ed., 1967. 这是一本真空管电子学的百科全书. 如果您想只买一本真空管电子学的书, 希望一书通吃. 这本书绝对是首选! 但是, 这本书遗漏了两个非常重要的题材: 恒流源 (constant current source), 差动放大器 (differential amplifiers). 没有关系, Valley, Wallman 的书可以补足这个缺憾. 此书在美国的二手书市场上叫价也已经超过一百美金, 一本状况极好的要约两百美金! 不过 Newnes 在 1997 年也有重印版问世. Audio Express 也有此书的 CDROM, 不过我还是不习惯在计算机屏幕上读这本 1500 页的 “红皮书”.

[HH] Horowitz, Hill: The Art of Electronics, 2nd. ed., Cambridge University Press, 1989. 说来惭愧\, 这本书已经在我的书架上十年了, 一直到前年才被 “解冻”. 一本非常有用的书. Full of useful design tricks!

[EJ] Edward C. Jordan: Reference Data for Engineers: Radio, Electronics, Computer, and Communications, 7 th ed., SAMS, 1985.

[HR] Herbert Reich: Principles of Electron Tubes, reprinted by AAP, 1995.

[JD] J. Deketh: Fundamentals of Radio-Valve Technique, reprinted by AAP, 1999.

[FET] F.E. Terman: Electronic and Radio Engineering, 4 th ed., McGraw-Hill, 1955.



图说： Quad FM4 Tuner, Magnum Dynalab FT-101 FM tuner, Audio Research LS-1 Pre, Transcendent Sound GG pre.


2. 二极管 (Diode)

首先, 二极管的电路符号是:




它的 V-I 曲线如下:




您可以很明显的看到这个 V-I 曲线与电阻的 V-I 曲线完全不同. (电阻的 V-I 曲线是一条直线, 也就是 V= I x R 这个电位差与通过电流的关系.) 因为这个 V-I 关系不是直线, 二极管是非常重要的 "非线性" 被动组件 (non-linear passive device).

接下来让我们来分析一下这个 V-I 关系图.

1. 通过二极管的电流是 10 mA 时, 二极管两端电位差大约是 0.5 V. 更准确的说, 应该是通过二极管的电流大约是 10 mA时, 两端电位差是 +0.5 V. 这个正号的意义是说这个二极管的阳极 (anode) 电位比阴极 (cathode) 高. 在电子学中, "二极管的阳极电位比阴极高" 这个现象称为 "顺向压降" (forward voltage drop). 如果再看一下二极管的电路符号, 您应该可以知道 "顺向" 这两个字的意义. 二极管的电路符号的 "箭头" 方向标示电流流动的方向. 而当这个二极管处于顺向偏压 (forward biased) 时, 电流依照这个箭头的方向流动, 而且阳极电位比阴极高约 0.5 伏特 (因为顺向压降).

2. 如果二极管的阳极电位比阴极低的时候, 又会有什么现象发生呢? 按照 V-I 图的标示, 二极管两端电位差是 -50 V 时, 由阴极流向阳极的电流只有大约 1 微安培 (micro-amp, A). 小到可以忽略的地步. 也就是说, 如果这个二极管处于 "逆向偏压" (reverse biased) 的状态时, 将不会有电流由阴极流向阳极. 您有没有注意到: 接近负 100 伏特时, 这个二极管将会有大量的电流由阴极流向阳极! 如果您真的看到这个现象, 那么只好请您买个新的二极管了! 或是说这个二极管的崩溃电压是 100 伏特, 崩溃电压就是一般所说的 "耐压". 例如: 1N4007 这个二极管是一个 "1000V, 1A" 二极管, 意思是这个二极管的崩溃电压是 1000 伏特, 能通过最大电流是 1 安培.

在进入下一个主题之前, 总结一下二极管的特性:

二极管利用顺向偏压工作, 顺向压降大约 0.5 至 0.8 伏特.
二极管电流流动的方向依照二极管的箭头方向. (单向导体)
二极管没有电阻. 不遵守奥姆定律.





图说：Sony SCD-1 SACD播放机与VPI HW-19 Turntable with 光悦 tonearm, Denon DL-103 MC 唱头，Steve Sun的主要聆听讯源。


3. 整流 (Rectification)

二极管用来整流是二极管最简单也是二极管最重要的应用, 二极管配合其它的被动组件, 把交流转变成直流.

让我们看一个简单的例子:




一个连续的 AC 讯号通过一个二极管时, 因为二极管单向导通的特性, 这个二极管只有当 AC 电压大于零时才会导通. 所以在二极管的另一端, 这个 AC 输入变成:




有一个要注意的地方是: 一个完整的正弦波在输出端只剩下一半. 所以只利用一个二极管, 只能达到 "半波整流" (half-wave rectification) 的效果. 那又如何达成 "全波整流" (full-wave rectification) 呢? 如果您用下面这个方法, 您就可以达成 "全波整流" 的目的. 这个整流子称为 "桥式整流子" (full-wave bridge rectifier).




实际使用二极管整流时常见的方法有:




为了吸收二极管产生的开关噪音, 通常会在每个二极管旁并联一个 0.1 uF 的电容 (电容的耐压需要是输出电压的二倍):




如果您坚持用真空管整流, 常见的方法有:




或是真空管桥式整流:




理论上, 一个全波整流子的输出应该是:




因为二极管的顺向压降, 将整个波形向下移动约 0.6 伏特 (假设二极管的顺向压降是 0.6 伏特). 所以, 实际上, 全波整流子的输出是:




您有没有注意到: 波与波之间有一点间隙? 这是二极管的顺向压降造成的效果. 如果您手边的示波器可以做傅立叶分析 (Fourier Analysis) 的话, 可以试着把这个讯号做一下频谱分析. 您将可以看到除了 100/120 Hz 以外, 还有一堆 200/240 Hz, 300/360 Hz,... 等高阶谐波 (higher-order harmonics) 存在。

一个全波整流子的输出, 还不能直接拿来应用. 这时的 50/60 Hz AC 被转变成一个 100/120 Hz 的讯号而已, 并不是稳定的直流. 一个稳定的直流源, 电压与时间的关系应该是一条水平线。

也就是说, 全波整流子的输出需要再处理以后, 才会具备直流的特性. 处理的越小心, 越精密, 会越接近完美的直流源. 这是下一次要讨论的主题。

编注：很少有人愿意付出这么多的时间来撰写这种基础性的文章，尤其，Steve Sun旅居美国多年，整篇文章，对中文输入并不熟悉的他，都是一点一滴利用屏幕上的小键盘输入的！请大家多给予一些鼓励吧。值得一提的是，Steve Sun这个博士，是数学喔，从他的角度来写电子基础教学，又是另一番体验。



图说：Trancendent Sound T-16 OTL with McIntosh MC-275 Gordon Gow.后级，都是好管机！


Steve Sun的相关资料如下：

EDUCATION

Brandeis University, Waltham MA 02451 Ph.D. in Mathematics
National Taiwan University, Taipei Taiwan 100 B.S. in Mathematics

EXPERIENCE

Verizon Laboratories (former GTE Laboratories) Senior Member of Technical Staff August 00 -- Present

Debug and maintain TONICS (Telephone Operations Network Integrated Control System).
Involved in telecommunication network planning for Telecom Asia, Indonesia. Projects:

Porting TONICS to Linux operating system. Involved in implementing "NOC Consolidation" for Verizon East.
Implemented a new algorithm in updating "Geo Map" for TONICS client, improved performance of TONICS server. Implemented a new algorithm in refreshing shared memory for TONICS server. Implemented a TONICS network element interface for monitoring Alcatel and Fujitsu ADSL equipments. Implemented a new memory management toolkit for using in Fujitsu telecommunication equipments. Implementing new alarm database model for TONICS to accommodate Verizon East alarm database. Maintaining SNMP network element interface.

Parametric Technology Corporation
Senior Software Engineer
Software Engineer Nov. 99 -- July 00 July 98 -- Oct 99
Participate in development and maintenance of 3D Geometric Modeler of Pro/Engineer, a market leading 3D CAD/CAM software. Including:

Customer needs assessment, development of specifications for new projects.

Regression tests, version-compatibility tests, performance analysis and tuning.

Coordination of efforts between development and QA group.

Projects:
Involved in implementing "Round" Tutor and interactive tutorial of "Round" feature in Pro/E using JAVA, mark-up languages, and JavaScript.

Implemented a new algorithm in finding initial guesses for creating intersection curves between numerical surfaces.

Implemented an improved algorithm for numerical surface intersections to handle manifold-like geometry. Improved quality of geometry.

Implemented an improved algorithm in "Round" - an important CAD/CAM feature in 3D modeling, for handling special cases. Improved existing algorithm used in creating Round geometry.

Maintaining the core of the functionality "Full Round", "Numerical Surface Intersection", "Assembly placement" of Pro/Engineer.

Wellesley College
Assistant Professor in Mathematics July 96 -- May 98
Conduct student research in Game theory.
Department seminar coordinator.
Courses taught:
Calculus
Advanced calculus
Mathematical Statistics
Mathematical Modeling in Economics
Game theory

Harvard University
Coordinator and Instructor of Quantitative Analysis
Summer Program, J.F. Kennedy School of Government
Coordinate with computer, economics instructors for course progress.
Student sectioning for quantitative courses. Conduct quantitative ability assessment tests. Taught quantitative analysis course to students from developing countries and US government.

Material covered:
Linear functions and exponential growth.
Compound interests and discounting.
Linear programming.
Probability and statistics.
Supply and demand models in economics.
Introduction to differential and integral calculus.
Computer labs.

Brandeis University
Graduate Student and Instructor in Mathematics Sep 89
Ph.D. thesis research: "On the Skein-Type Relations of Kontsevich\'s Integral" directed by Dr. Jerome P. Levine. Developed skein-type relations for Kontsevich\'s integral. Studied knot invariants and application of topological quantum field theory. Studied Riemann zeta functions, multiple zeta functions and Dirichlet series. New proof of T.M. Apostol\'s "reciprocity law". Courses taught from 1990 to 1996: Precalculus Calculus





应Steve Sun要求，特别贴上他家的宝贝猫咪.........

果果崎步

好深奥呀   看不懂