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。
