🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 理解整流的真正目的：把交流的能量「導向同一個方向」
- 分辨半波整流 vs 全波整流（含橋式）
- 了解二極體在整流中扮演的「電流方向閥門」角色
- 建立電源設計最重要的第一個直覺：整流只把 AC 變成脈動 DC，不是平滑 DC
🧭 一、核心觀念先記住
多數電子電路需要的是：
👉 直流 DC（方向固定、電壓相對穩定）但市電／訊號源常提供：
👉 交流 AC（方向來回翻轉）
所以電源的第一步必須先做：
👉 整流 Rectification = 讓電流「只往一個方向」流
一句話：
🔁 整流 = 利用二極體的單向性，把 AC 變成「單向脈動」的 DC 能量
⚠️ 重要提醒：整流後的波形仍然「起伏」，真正要變成穩定 DC，下一步還需要濾波（電容）與穩壓（Regulator）。
🧠 二、半波整流（Half-Wave Rectifier）
✅ 概念（直覺）
👉 只保留交流的一半（通常是正半週）
另一半直接被二極體「擋掉」。
🔧 電路（ASCII）
AC~ o----|>|----[R]----o GND
D
📈 輸出波形（ASCII）
輸入 AC: ~~~~ sinusoid ~~~~
輸出 Vout:
/\ /\
/ \ / \
___/ \____/ \____
(負半週被擋掉 → 變成空白)
🔍 導通路徑（一定要會講）
- 正半週：AC → |>| → R → GND（導通）
- 負半週：二極體反向偏壓（封鎖）
✅ 工程直覺
- 脈動很大（空白時間長）
- 能量利用率較低
- 適合：簡單、低功率、成本敏感的用途
🧠 三、全波整流（Full-Wave Rectifier, Bridge）
✅ 概念（直覺）
👉 正半週、負半週都被「翻正」
因此輸出變成「每半週都有波峰」——更密、更好濾。
🔧 橋式整流電路（ASCII）
|>|----+---- DC+
AC~ o---+---| |
| |<|----+
|
| |>|----+
AC~ o---+---| |
|<|----+---- DC-
橋式整流用 4 顆二極體，任何時刻都會有 兩顆導通，把負半週也導成同方向電流。
📈 輸出波形（ASCII）
輸出 Vout:
/\ /\ /\ /\
___/ \/ \/ \/ \___
(每半週都有脈動 → 脈動頻率加倍)
🔍 導通路徑（用「兩顆一組」記）
- 正半週：D1、D2 導通（形成一條回路）
- 負半週：D3、D4 導通（形成另一條回路）
- 結果：負半週也變正輸出
✅ 工程直覺
- 脈動頻率 = 輸入的 2 倍（最重要的觀察之一）
- 濾波更容易（同樣電容下，漣波會更小）
- 供電效率與實用性更高 → 實務電源常見首選
🧩 四、整流一定要知道的「現實真相」(短但關鍵)
1) 二極體會吃掉壓降
- 半波：大多只有 1 顆二極體壓降
- 橋式全波：每次導通經過 2 顆二極體壓降
- 意義：低電壓電源（例如 5V、3.3V）時，壓降特別敏感。
2) 整流不是穩定 DC，只是「脈動 DC」
- 你看到的波形仍然上下起伏
- 所以「整流後一定要濾波」才像電源
🔬 電子學實驗題（17/120）
實驗名稱
半波與全波整流波形觀察
🎯 實驗目的
比較半波與全波整流的輸出波形差異，並驗證：
👉 全波的脈動頻率是半波的 2 倍
🧰 實驗器材
- 二極體 ×4
- 函數產生器（FG）
- 示波器
- 電阻 R
🔧 接線（ASCII）
半波：
FG o----|>|----[R]----o GND
全波橋式：
|>|----+---- DC+
FG o---+----| |
| |<|----+
|
| |>|----+
FG o---+----| |
|<|----+---- DC-
🔧 實驗步驟
- FG 輸入正弦波（建議先 1 kHz、幾 Vpp）
- 觀察半波輸出波形（示波器接在 R 兩端）
- 改成橋式整流
- 觀察全波輸出波形
- 比較：波峰密度、脈動頻率、平均值趨勢
✅ 實驗結果解析（觀察 → 原因 → 工程語言）
🧪 一、你在示波器上會看到什麼？
1) 半波整流的輸出（Vout across R）
你會看到：
- 只有「正半週」有波形
- 「負半週」幾乎是 0V（或非常接近 0V）
- 波形的峰值比輸入略低
示意（含壓降概念）：
輸入 Vin: ~~~~ sinusoid ~~~~
半波 Vout:
/\ /\
/ \ / \
___/ \____/ \____
(負半週消失)
峰值約：Vpk_out ≈ Vpk_in − Vf
✅ 解析重點
- 負半週消失：二極體反向偏壓 → 不導通 → 電阻兩端沒電流 → Vout 近似 0
- 峰值變低：導通時二極體有正向壓降 Vf（矽二極體常見約 0.6–0.9V，視電流而定）
2) 全波橋式整流的輸出（Vout between DC+ and DC- 或 across R）
你會看到：
- 每半週都有波峰（沒有「空白」半週）
- 波形看起來更密、更連續
- 峰值比半波更低一些（因為一次會經過兩顆二極體）
示意：
全波 Vout:
/\ /\ /\ /\
___/ \/ \/ \/ \___
峰值約：Vpk_out ≈ Vpk_in − 2Vf
✅ 解析重點
- 為什麼負半週也變正？
橋式整流在負半週會自動「換一組二極體」導通，讓電阻上的電流方向仍一致。 - 為什麼峰值更低？
因為每次導通路徑必經兩顆二極體 → 約 2Vf 壓降。
📌 二、頻率為什麼會「加倍」？（你報告最該寫清楚的地方）
半波
- 每「一個週期」只出現一次脈動波峰
👉 脈動頻率 = f_in
全波
- 每「半個週期」就出現一次脈動波峰（正半週一個、負半週也翻正一個）
👉 脈動頻率 = 2·f_in
用一句工程語言寫：
✅ 全波整流把輸入正弦的絕對值 |sin| 取出，因此輸出脈動週期變成一半、頻率變兩倍。
🔍 三、平均值 / 能量利用的差異（用觀察說服自己）
你會發現：
- 全波的「面積」更大（示波器上看起來更“飽滿”）
- 代表對負載輸送的能量更多（在相同輸入條件下）
直覺比較：
- 半波：有一半時間沒有供能（空白）
- 全波：每半週都有供能 → 更容易變成穩定電源（加電容後差異更明顯）
工程語言：
✅ 在相同輸入幅度與負載條件下，全波整流的平均輸出與有效輸出能力通常優於半波，且濾波後漣波更易壓低。
⚠️ 四、你可能會遇到的「實驗現象」與解釋（加分用）
現象 A：負半週不是完全 0V（半波）
可能原因：
- 示波器量測參考點接法
- 二極體反向漏電流（極小，但高阻值時可能更明顯）
- FG 輸出與地的耦合或偏置（offset）
寫法：
✅「負半週理想應為 0V，實測可能因儀器參考、漏電與耦合造成微小殘留。」
現象 B：波峰頂端變扁、變鈍
可能原因：
- 二極體導通不是瞬間「理想開關」，有動態電阻
- FG 驅動能力、負載電阻太小（電流太大）使輸入波形被拉扁
寫法：
✅「當負載電流變大時，二極體與訊號源內阻造成壓降增加，波峰可能出現壓扁或失真。」
現象 C：橋式輸出比半波更低（同樣輸入）
原因很直接：
- 橋式每次兩顆導通 → 2Vf
✅ 這點在低壓電源（例如 3.3V）設計非常關鍵，所以有時會改用肖特基或同步整流。
🧠 工程結論
✅ 整流是所有電源設計的第一步：先用二極體的單向性把 AC 變成單向脈動 DC，下一步才輪到濾波與穩壓，讓它真正變成「可用的 DC」。
