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自 行 車 照 明 系 統 之 供 電 電 路 研 製

近來隨著溫室效應及全球暖化等環境議題不斷被提出，尤其是最近油價的持續飆漲，使得節省耗油

更成為各界努力的目標。其中交通工具的油耗佔最大宗，故對於不使用石化燃料為動力的自行車而言，

在用來作為短程交通工具或休閒上已逐漸被重視。

文文文文 / 逢甲大學逢甲大學逢甲大學逢甲大學 電機所電機所電機所電機所 蔣繼緯蔣繼緯蔣繼緯蔣繼緯 指導教授指導教授指導教授指導教授：：：：黃昌圳黃昌圳黃昌圳黃昌圳 博士博士博士博士 一、摘要

本文旨在於研製一個應用於自行車輪

軸 發 電 機 之 整 流 電 路 ， 提 供 穩 定 的 電 壓

源，以供應自行車前後 LED 燈負載。供電

電路包括整流電路，並搭配德州儀器公司

(Texas Instruments, T.I.) 所 生 產 的

TL5001，作脈波寬度調變，得到穩定且滿

足額定的輸出電壓。文中將提供製作完成

的電路板實體及實際量測資料。

二、簡介

近來隨著溫室效應及全球暖化等環境

議題不斷被提出，尤其是最近油價的持續

飆漲，使得節省耗油更成為各界努力的目

標。其中交通工具的油耗佔最大宗，故對

於不使用石化燃料為動力的自行車而言，

在用來作為短程交通工具或休閒上已逐漸

被重視，例如：在歐美及日本，自行車的

使用非常普及，為了維護安全，這些國家

均要求自行車上必須裝置前後照明燈具等

規定，因而須有產生電力的設備，電力通

常藉由車輪旋轉來產生。

本文將研製一整流電路，裝置在如圖一所

示的輪軸發電機輸出端[1]，提供穩定的電

壓源，以供應 LED 燈負載。LED 燈之輸入電

壓範圍為 2.5-3.6 V 之間，實際消耗功率

為 40 Wlm 。

圖一 輪軸發電機

三、實際電路架構

圖二為整個供電電路的架構圖，除了

發電機外，主要包括橋式全波整流電路、

TL5001 之 PWM 控制電路、降壓調整器電

路、及 LED 負載等。

圖三為一簡單的整流流程圖，首先由發

電機先提供一交流電源，然後經由橋式全

波整流器整流成直流，接著再經由 TL5001

搭配 BUCK 電路之控制電路然後產生一直流

電源，以能夠穩定輸出給照明器具使用。

以下分述各部份之工作原理。

圖二 供電電路的架構圖

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圖三 整流電路流程圖

四、整流電路

橋式整流電路如圖四所示，在輸入電

壓為正半週之期間， sv

為正，因而電流流

經二極體 1D ，電阻 R ，以及二極體 2D 。同

時二極體 3D

和 4D 將會被反向偏壓。輸出波

形如圖五所示，可見到有兩個二極體串聯

在導通之路徑上，因此 ov

會比 sv

低兩個二

極體的壓降，這是橋式整流器缺點之一。

其次，考慮在輸入電壓為負半週時的情

形。次級電壓 sv

將為負值，因此 sv−

將為正

值，促使電流通過 3D

、 R 和 4D 。在此同時

二極體 1D 和 2D 將被反向偏壓。但必須要注

意的重點是：在兩個半週期間，流經 R 之

電流均為同一流向（由右至左），因而 ov

將

永遠為正。

圖四 橋式整流器電路圖

圖五 橋式整流器輸入及輸出波形

五、TL5001 之 PWM 控制電路

目前大多數的切換式電源供應器都為

脈波寬度調變(PWM)的形式。此種方法乃改

變轉換電晶體的導通時間，並在開關期間

內來控制及調整輸出電壓至預定之值，雖

然也可用其他方法來做控制和穩壓，但是

PWM 的方法能提供極優性能，例如較緊密

的線路與較好的負載穩壓率，而且在溫度

變化時有較好的穩定度。

在此整流電路中所選用的變頻器是由

德州儀器公司所產生的 TL5001，而 TL5001

內部構造圖如圖六。TL5001 是將所有 PWM

的控制電路結合在一個單一晶片裡面，此

晶片主要的功能是在控制電源提供穩定輸

出電壓，TL5001 裡面包含了一個誤差放大

器，一個調節器、振盪器、與死區控制的

PWM 產生器、低壓保護迴路(UVLO)及短路保

護迴路等，而誤差放大器的普通工作電壓

範圍約為 0V-1.5V，而誤差放大器的正向輸

入端連接一個參考電壓 1V，而震盪器的頻

率大小是藉由 RT 腳位跟接地點之間的電阻

所決定之，死區控制可以藉由死空控制電

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路腳位和接地點之 間的電阻來提供 0%至

100%的死區，TL5001 的工作電壓範圍 3.6

～40V，在低電壓操作環境中，低電壓保護

迴路將輸出截止掉直到 Vcc 超過正常操作

電壓，以上電路元件動作原理稍後將有詳

細說明，PWM 控制電路是由 TL5001 在搭配

一個降壓調整器電路，其基本架構如圖七。

圖六 TL5001 內部構造圖

圖七 TL5001 之 PWM 控制電路基本構造

六、降壓電路基本構造

在降壓調整器中，輸出電壓之平均值

aV

小於輸入電壓 sV

，是一種很受歡迎的調

整器。圖八為一使用功率 BJT 之降壓調整

器的電路圖，它並且與降壓轉換器相似。

電路之操作可以分為兩種模式。模式 1 於

電晶體 1Q 在 t =0 導通時開始，輸入電流流

經濾波電感 L、濾波電容 C 以及負載電阻

R，將逐漸上昇。模式 2 於電晶體 1Q 在 t = 1t

截止時開始，此時飛輪二極體 mD

因電感中

之儲能開始導通，而電感電流則經 L、 C 、

負載與二極體 mD

繼續流動。此時電感電流

下降直到電晶體 1Q 再下一週期中再度停止

導通時為止。

圖八 降壓調整器電路圖

七、整流電路分析模擬

模擬實作電路如圖九所示，此電路係參

考使用晶片的資料手冊來完成整個電路的

設計。經模擬得到的電壓大約為原本設定

的 3 V，如圖十所示，說明電路具有實作的

可行性。

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圖九 模擬電路圖

圖十 模擬輸出電壓波形

八、整流電路設計

首先先由TL5001的參考手冊來選擇一

些元件參數，並且先決定它的責任週期，

如式（1）所示：

satI

dO

VV

VVD

−

+= （1）

OV

為輸出電壓、 dV

為整流器傳導電壓（假

設 dV

=0.5V）、 IV 為輸入電壓、 satV

為電源開

關傳導電壓（假設 satV

=0.25V）。

接下來要決定降壓電路的電感，先決

定電感輸出電流由式（2）所示：

(max)1.02 OO II ××=∆ （2）

得到電感輸出電流後再來決定電感，

在決定電感之前要先選定切換的頻率，由

於不同的頻率會導致電感大小不同，而頻

率不同可能會導致電感發熱程度，所以需

要先任意選定一個頻率後進行初步實作，

看 電 感 是 否 會 過 熱 ， 不 行 的 話 可 以 再 調

整，而電感由式（3）所示：

( )

O

satI

I

tDVoVVL

∆

−−=

))((1 （3）

然後決定輸出電壓如式（4）所示：

( )( )VR

RVO 1431+= （4）

其中 3R 、 4R 為圖十一 TL5001 晶片回授腳

位的電阻。

由於 TL5001 的偏壓電流為 0.5 Aµ ，則

分流近似 1000*0.5 Aµ =0.5 mA，經過調整

後流經 R4 的電壓為 1V，流經 R3 的電壓則

為( )1−

OV

，而 R3、R4 的值如式（5）及（6）

所示：

mA

VR

5.0

14 = （5）

( )mA

VR O

5.0

13

−= （6）

選定這些重要參數後，其他材料部分

由 TL5001 的參考手冊可以取得參考的參

數，接著就可以參考圖十一之實際電路圖

進行實作驗證。

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圖十一 整流電路全圖

九、實測結果與討論

圖十一電路圖之實際完成電路如圖十

二所示，圖十三為發電機與整流電路結合

進行測試的實測圖，圖十四為發電機轉速

在 40 rpm 下，電路輸出端電壓之一個例

子，其輸出電壓為 2.62 V。在各種轉速下

電路輸出端電壓如表一，均滿足 LED 需求

電壓。

表一 發電機在各轉速與不同負載之量測電壓

轉速

(rpm) 40 80 120 160 200 240

無載

端電

壓

(Vdc)

5.20 10.48 15.59 20.79 25.99 31.19

LED

端電

壓

(Vdc)

2..62 2.66 2.7 2.72 2.74 2.76

圖十二 外接電路板焊接完成

圖十三 發電機與整流電路整合實測圖

圖十四 發電機轉速在 40 rpm 下電路輸出端電壓

十、結論

本文研製了一使用 PWM 控制之整流電

路。為了大幅度的縮小電路體積，所有電

路元件幾乎採用 SMD 格式。此完成電路，

經測試可以在各轉速下，將發電機產生的

不同輸出交流電壓，經整流後能夠以穩定

的直流電輸出並滿足 LED 之需求電力。

十一、參考文獻

[1] 尤炳榮，「低轉速直驅式永磁自行車發電機之設

計與分析」，逢甲大學電機工程研究所碩士論

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論文，2004 年 7 月。

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大學電機工程研究所碩士論文 2006 年 7 月。

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計」，成功大學電機工程研究所碩士論文，2007

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McGraw-Hill, 1994.

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政客、商人和流浪漢同時流落到荒島上。

某日，政客突然挖到一個神燈，商人驚訝

的看著，不忘細摸壺身的質感，仔細的估

價；沒想到摸著摸著跑出了一個燈怪......

燈怪：「你們救了我，我要給你們每人一個

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政客高興的說：「我要馬上回去和我的愛妻

相聚。」

「碰！」一聲，政客如煙似的消失。

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「咻！」一聲，商人也隨即不見。

燈怪：「那你呢﹖先生！」

流浪漢：「反正我沒有愛妻、沒有產業，哪

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「不如叫他們回來陪我吧！」

「碰！碰！」..........