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[原创] 电路中电能传输方向

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发表于 2020-5-10 15:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

  如图(01)这个电路,有两个电池和一个电阻串联。这个电路中,是电池E1对电池E2充电,还是电池E2对电池E1充电?

            图(01)
  我们测量一下电压U1和电压U2。如果电压U1大于电压U2,就可以判断电阻R左端电位高于右端电位,显然电阻中电流方向是从左向右,如图(02)所示。此时我们就可以判断是电池E1对电池E2充电。当然,如果测量U1和U2结果相反,那就是E2对E1充电。
  E1对E2充电,意味着能量从E1流出,而流入E2。

            图(02)
  从图(02)中我们可以看出:当电压方向与电流方向相反时(例如上图的左边),能量流出E1,当电压方向与电流方向相同时(例如上图的右边),能量流入E2。
  这是不是可以普遍应用的规律?根据电压的定义,这确实是可以普遍应用的规律。
  不但在直流电路中是如此,在交流电路中仍然是如此。
  图(03)简单交流电路中,仅有一个交流电源E和一个电阻R作为负载。我们假定电路中电压和电流正方向如图中所示。

            图(03)
  我们知道,电阻中的电流与两端电压相位相同,电阻R两端电压u与其中电流i关系的波形如图(04)所示。

            图(04)
  图(04)波形,前半个周期电阻两端电压u和通过电阻的电流i均为正方向,由前面所述,能量流入电阻(转化成为热)。后半个周期,电阻两端电压为负,通过电阻的电流也为负,二者仍然方向相同,能量是流入电阻转化成为热。
  只有交流电压过零那一瞬间,电压与电流同时为零,其乘积也为零,没有能量传输,但其它时间,能量均是流入电阻的。
  然而,我们把图(03)中电阻替换成一个电感如图(05),情况就大不一样了。为简单起见,暂时我们不考虑电感中的种种损耗,假定图(05)中电感L是个理想电感。另外,我们只考虑最简单的正弦电压波形。

            图(05)
  我们都知道:电感两端电压u超前于电感中电流i,对理想电感,超前的角度为90°。图(05)电路中电压电流波形如图(06)。图中蓝色波形为电感两端电压波形,红色波形为电感通过电流波形。

            图(06)
  图(06)中电压和电流波形,有时方向相同,有时方向相反。为更详细分析能量流动方向,在图(07)中我们把交流的一个周期分成几个阶段分析。

            图(07)
  图(07)中,我们选取电流由负变正那一时刻开始分析。此一时刻之后的四分之一周期记为阶段1。阶段1中,电压和电流虽然在不断变化,电压在减小电流在增加,但电压和电流均为正(为正的意思就是与图(05)中标注的方向相同)。由此得出:在阶段1,能量从交流电源E流出,流入电感L。
  阶段1之后的四分之一周期记为阶段2。阶段2中电压和电流也在不断变化,但电压为负电流为正。电压与电流方向相反,由此得出:阶段2中,能量由电感L流出,流入交流电源E。
  阶段2之后的四分之一周期记为阶段3。阶段3中电压和电流仍在不断变化,但从图(07)中可以看出,这一阶段中电压和电流均为负(和图(05)中标注的方向相反)。二者均为负,方向相同,由此得出:阶段3中,能量由交流电源E流出,流入电感L。
  阶段3之后的四分之一周期记为阶段4。阶段4中电压为正而电流为负,二者方向相反,由此得出:阶段4中,能量由电感L流出,流入交流电源E。
  阶段5和阶段1完全相同,不再赘述。
  由上面所述,对理想电感,交流的每个周期内,有两次(各四分之一周期)能量是从交流电源流入电感,有两次(各四分之一周期)能量是从电感流入交流电源。而且,由正弦波形的对称性,阶段1从交流电源流入电感的能量从数量上说必定与阶段2从电感流出到交流电源的能量相等。
  所以,在交流电源与理想电感构成的如图(05)的电路中,能量在电源和电感之间往复流动,往复的频率为交流电频率的二倍。在交流电的一个周期内,电源对负载做功的平均值为零。正因为如此,图(05)中交流电压u的有效值和交流电流i的有效值的乘积,并不表示电源做功的功率。这个乘积,称为视在功率。在图(05)电压电流相位差为90°情况下,交流电源发出的功率完全是无功功率。
  如果图(05)中的电感换成理想电容,电路达到稳态时,交流电流将超前于电压90°。从图(06)和图(07)中推出的能量流动方向在电容电路中依然适用,即交流的一个周期内,两次能量由电源流入电容,两次能量由电容返回电源。在交流的一个周期内,电源对电容做功的平均值为零。
  但是,理想情况是不存在的。导线总具有一定电阻,实际的电感也总具有一定电阻。这样的负载如图(08)所示。

            图(08)
  这种情况下,电流落后于电压的角度就不到90°,而是0~90°之间的某个值。图(09)中画出了这种情况下电压和电流波形。

            图(09)
  我们同样可以把交流的一个周期分成几个阶段来考虑。
  从电流自负而正过零点为时间的开始,阶段1到电压自正而负过零点结束,阶段2到电流自正而负过零点结束,阶段3到电压自负而正过零点结束,阶段4到电流自负而正过零点结束。
  图(09)中,阶段1里面电压与电流方向相同,电源E对电感L和电阻R做功。阶段2,电压与电流方向相反,电感L中储存的能量返回电源,同时有一部分能量消耗在电阻R中。阶段3电压与电流方向相同,电源E对电感L和电阻R做功。阶段4,电压与电流方向相反,电感L中储存的能量返回电源,同时有一部分能量消耗在电阻R中。
  我们看到,含电阻的电感性负载,在交流的一个周期内,仍然有一部分能量返回到电源。但与图(05)的理想情况不同,一个周期内返回到电源的能量只有电源输出能量的一小部分而不是全部。
  问题在于:交流电源是否允许能量返回到电源?这可不是默认确定的。某些电源允许能量返回,但另一些电源却不允许能量返回。

            图(10)
  图(10)是个很常见的音频推挽功率放大器。T1和T2是互补的两支三极管,SP是扬声器,E1和E2是直流电源。为简单起见,T1和T2的驱动电路图中未画出。
  动圈式扬声器的结构是铜或铝线绕制的音圈放置于磁铁的磁场缝隙中,音圈中通过电流时就会受到磁场作用力,推动扬声器的振膜运动发声。动圈式扬声器是典型的既含电感又含电阻的负载。
  我们知道,推挽功率放大器两支管子,可以工作于甲类、乙类或者甲乙类。
  推挽工作于甲类,就是一个周期内任一管子中总有电流,不会中断,即在交流的一个周期内不会有一段时间电流为零。也就是说,图(11)中T1管中电流I1(用绿色表示)和T2管中电流I2(用蓝色表示)无论何时总不会中断。图(11)中我们可以看出:负载中的电流I为T1中电流I1与T2中电流I2之差。
  推挽工作于乙类,就是两管轮流导通,任何时刻总有一管中电流为零,换句话说,图(11)中T1管中电流I1(用绿色表示)和T2管中电流I2(用蓝色表示)绝不会同时出现。
  推挽工作于甲乙类,就是图(11)中T1管中电流I1(用绿色表示)和T2管中电流I2(用蓝色表示)有中断之时,也有同时出现之时。
  如果图(10)中的音频推挽功率放大器工作于甲类,那么既含电阻又含电感的动圈式扬声器负载SP,在图(09)的阶段2,可以将电感中能量返回到放大器。在图(09)的阶段1,图(11)中A点电压为正,但到阶段2的开始,A点电压转为负值,由图(09)中我们看到:扬声器中电流却要继续在正方向流动。对甲类工作的推挽功率放大器来说,这不成问题:只要电流I1稍大于I2,就可以让扬声器SP中电流按照原来(阶段1)的方向流动。也就是说,对甲类推挽功率放大器来说,允许负载向电源(推挽功率放大器)返回能量。

            图(11)
  但对乙类推挽功率放大器,可就不一样了。乙类推挽功率放大器中,电流I1(绿色)和电流I2(蓝色)绝不同时出现。I2产生之时,I1必定为零。在图(09)中的阶段2,图(11)中三极管T1已经关断,三极管T2导通,SP中电流仍要按照图中红色箭头所指方向流动。但这是不可能的,因为三极管T1已经关断,T2虽然导通,但T2不允许电流反方向流动,只能从T2发射极到集电极。如果SP中电流继续按照图(11)红色箭头方向流动,结果三极管就会被击穿。
  不过,早期的晶体管收音机多数采用如图(10)那样的推挽功率放大电路和动圈式扬声器,怎么就没有发生三极管损坏的事情呢?
  那是因为,第一扬声器的电感性并不强,主要是电阻性。普通动圈式扬声器标称阻抗若为4欧,用万用表测量电阻,大约3.2欧左右。可见动圈式扬声器仍然是电阻性为主。电感性不强,返回功率放大器的能量就不会很大。第二,三极管被击穿不一定损坏,只有损耗功率超出允许值才会损坏。我们常用的稳压管,长期在击穿状态下工作,只要功率损耗在额定值之内,就不会损坏。第三,这类推挽功率放大器均工作于甲乙类状态,也就是说,当T2中电流增加到某一比较小的数值时T1才彻底关断。在T1和T2中均有电流情况下,允许扬声器中能量返回到放大器。
  然而,“即使被击穿也不会损坏”,仅限于音频功率为百多mW,顶多1~2W的便携式收音机等,如果放大器输出功率较大(当然,与之相配的扬声器也大),从扬声器返回功率放大器的能量相对就较大,功率放大器中的管子就可能损坏。尤其是这类功率放大器为提高效率,总是让电路工作于尽量接近于乙类。
  其实从图(10)和图(11)中可以看出,要保护T1和T2不被击穿而损坏,只要与T1和T2各反并联一支二极管。反并联二极管后,扬声器中储存的能量就可以通过二极管返回到直流电源,而不会使T1和T2两端电压增加太多而击穿损坏。
  从早期音频功率放大器芯片说明书中典型应用电路,就可以看出上述关于扬声器能量返回问题。图(12)是典型的18W输出音频功率放大器芯片TDA2030A说明书中的应用电路。图中可以看到,放大器输出端(4脚)对电源正端和电源负端各接了一支普通二极管1N4001。之所以要接这样两支二极管,目的就是防止扬声器中储存的能量向推挽功率管倒流时击穿功率管,因为较大功率的音频放大器芯片往往电源电压用到极限值,没有多少富余量,而且扬声器功率较大,可以储存的能量也较大。

            图(12)
  那么,为什么不是所有的音频功率放大器芯片都要求在外部接上这么两支二极管?这是因为,多数音频功率放大器芯片把这两支二极管做到了芯片内部,这并不困难。例如,输出功率达到80W的LM12芯片就把两支二极管做到了芯片内部,如图(13)红色圈内所示。

            图(13)
  图(13)就是音频功率放大器芯片LM12内部电路,Q14和Q15就是为防止输出端负载储存能量倒流入放大器致使Q12或者Q13击穿设置的。实际上,Q14和Q15利用了其发射结,而将管子的集电极接到了电源上。
  

 

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