一文瞭解電路中電能傳輸方向

本文來自微信公眾號：電子工程世界（ID：EEworldbbs），作者：maychang

如圖(01)這個電路，有兩個電池和一個電阻串聯。這個電路中，是電池E1對電池E2充電，還是電池E2對電池E1充電？

圖(01)

我們測量一下電壓U1和電壓U2。如果電壓U1大於電壓U2，就可以判斷電阻R左端電位高於右端電位，顯然電阻中電流方向是從左向右，如圖(02)所示。此時我們就可以判斷是電池E1對電池E2充電。當然，如果測量U1和U2結果相反，那就是E2對E1充電。

E1對E2充電，意味著能量從E1流出，而流入E2。

圖(02)

從圖(02)中我們可以看出：當電壓方向與電流方向相反時(例如上圖的左邊)，能量流出E1，當電壓方向與電流方向相同時(例如上圖的右邊)，能量流入E2。

這是不是可以普遍應用的規律？根據電壓的定義，這確實是可以普遍應用的規律。

不但在直流電路中是如此，在交流電路中仍然是如此。

圖(03)簡單交流電路中，僅有一個交流電源E和一個電阻R作為負載。我們假定電路中電壓和電流正方向如圖中所示。

圖(03)

我們知道，電阻中的電流與兩端電壓相位相同，電阻R兩端電壓u與其中電流i關係的波形如圖(04)所示。

圖(04)

圖(04)波形，前半個週期電阻兩端電壓u和通過電阻的電流i均為正方向，由前面所述，能量流入電阻(轉化成為熱)。後半個週期，電阻兩端電壓為負，通過電阻的電流也為負，二者仍然方向相同，能量是流入電阻轉化成為熱。

只有交流電壓過零那一瞬間，電壓與電流同時為零，其乘積也為零，沒有能量傳輸，但其它時間，能量均是流入電阻的。

然而，我們把圖(03)中電阻替換成一個電感如圖(05)，情況就大不一樣了。為簡單起見，暫時我們不考慮電感中的種種損耗，假定圖(05)中電感L是個理想電感。另外，我們只考慮最簡單的正弦電壓波形。

圖(05)

我們都知道：電感兩端電壓u超前於電感中電流i，對理想電感，超前的角度為90°。圖(05)電路中電壓電流波形如圖(06)。圖中藍色波形為電感兩端電壓波形，紅色波形為電感通過電流波形。

圖(06)

圖(06)中電壓和電流波形，有時方向相同，有時方向相反。為更詳細分析能量流動方向，在圖(07)中我們把交流的一個週期分成幾個階段分析。

圖(07)

圖(07)中，我們選取電流由負變正那一時刻開始分析。此一時刻之後的四分之一週期記為階段1。階段1中，電壓和電流雖然在不斷變化，電壓在減小電流在增加，但電壓和電流均為正(為正的意思就是與圖(05)中標註的方向相同)。由此得出：在階段1，能量從交流電源E流出，流入電感L。

階段1之後的四分之一週期記為階段2。階段2中電壓和電流也在不斷變化，但電壓為負電流為正。電壓與電流方向相反，由此得出：階段2中，能量由電感L流出，流入交流電源E。

階段2之後的四分之一週期記為階段3。階段3中電壓和電流仍在不斷變化，但從圖(07)中可以看出，這一階段中電壓和電流均為負(和圖(05)中標註的方向相反)。二者均為負，方向相同，由此得出：階段3中，能量由交流電源E流出，流入電感L。

階段3之後的四分之一週期記為階段4。階段4中電壓為正而電流為負，二者方向相反，由此得出：階段4中，能量由電感L流出，流入交流電源E。

階段5和階段1完全相同，不再贅述。

由上面所述，對理想電感，交流的每個週期內，有兩次(各四分之一週期)能量是從交流電源流入電感，有兩次(各四分之一週期)能量是從電感流入交流電源。而且，由正弦波形的對稱性，階段1從交流電源流入電感的能量從數量上說必定與階段2從電感流出到交流電源的能量相等。

所以，在交流電源與理想電感構成的如圖(05)的電路中，能量在電源和電感之間往複流動，往複的頻率為交流電頻率的二倍。在交流電的一個週期內，電源對負載做功的平均值為零。正因為如此，圖(05)中交流電壓u的有效值和交流電流i的有效值的乘積，並不表示電源做功的功率。這個乘積，稱為視在功率。在圖(05)電壓電流相位差為90°情況下，交流電源發出的功率完全是無功功率。

如果圖(05)中的電感換成理想電容，電路達到穩態時，交流電流將超前於電壓90°。從圖(06)和圖(07)中推出的能量流動方向在電容電路中依然適用，即交流的一個週期內，兩次能量由電源流入電容，兩次能量由電容返回電源。在交流的一個週期內，電源對電容做功的平均值為零。

但是，理想情況是不存在的。導線總具有一定電阻，實際的電感也總具有一定電阻。這樣的負載如圖(08)所示。

圖(08)

這種情況下，電流落後於電壓的角度就不到90°，而是0～90°之間的某個值。圖(09)中畫出了這種情況下電壓和電流波形。

圖(09)

我們同樣可以把交流的一個週期分成幾個階段來考慮。

從電流自負而正過零點為時間的開始，階段1到電壓自正而負過零點結束，階段2到電流自正而負過零點結束，階段3到電壓自負而正過零點結束，階段4到電流自負而正過零點結束。

圖(09)中，階段1裡面電壓與電流方向相同，電源E對電感L和電阻R做功。階段2，電壓與電流方向相反，電感L中儲存的能量返回電源，同時有一部分能量消耗在電阻R中。階段3電壓與電流方向相同，電源E對電感L和電阻R做功。階段4，電壓與電流方向相反，電感L中儲存的能量返回電源，同時有一部分能量消耗在電阻R中。

我們看到，含電阻的電感性負載，在交流的一個週期內，仍然有一部分能量返回到電源。但與圖(05)的理想情況不同，一個週期內返回到電源的能量只有電源輸出能量的一小部分而不是全部。

問題在於：交流電源是否允許能量返回到電源？這可不是預設確定的。某些電源允許能量返回，但另一些電源卻不允許能量返回。

圖(10)

圖(10)是個很常見的音頻推挽功率放大器。T1和T2是互補的兩支三極管，SP是揚聲器，E1和E2是直流電源。為簡單起見，T1和T2的驅動電路圖中未畫出。

動圈式揚聲器的結構是銅或鋁線繞製的音圈放置於磁鐵的磁場縫隙中，音圈中通過電流時就會受到磁場作用力，推動揚聲器的振膜運動發聲。動圈式揚聲器是典型的既含電感又含電阻的負載。

我們知道，推挽功率放大器兩支管子，可以工作於甲類、乙類或者甲乙類。

推挽工作於甲類，就是一個週期內任一管子中總有電流，不會中斷，即在交流的一個週期內不會有一段時間電流為零。也就是說，圖(11)中T1管中電流I1(用綠色表示)和T2管中電流I2(用藍色表示)無論何時總不會中斷。圖(11)中我們可以看出：負載中的電流I為T1中電流I1與T2中電流I2之差。

推挽工作於乙類，就是兩管輪流導通，任何時刻總有一管中電流為零，換句話說，圖(11)中T1管中電流I1(用綠色表示)和T2管中電流I2(用藍色表示)絕不會同時出現。

推挽工作於甲乙類，就是圖(11)中T1管中電流I1(用綠色表示)和T2管中電流I2(用藍色表示)有中斷之時，也有同時出現之時。

如果圖(10)中的音頻推挽功率放大器工作於甲類，那麼既含電阻又含電感的動圈式揚聲器負載SP，在圖(09)的階段2，可以將電感中能量返回到放大器。在圖(09)的階段1，圖(11)中A點電壓為正，但到階段2的開始，A點電壓轉為負值，由圖(09)中我們看到：揚聲器中電流卻要繼續在正方向流動。對甲類工作的推挽功率放大器來說，這不成問題：只要電流I1稍大於I2，就可以讓揚聲器SP中電流按照原來(階段1)的方向流動。也就是說，對甲類推挽功率放大器來說，允許負載向電源(推挽功率放大器)返回能量。

圖(11)

但對乙類推挽功率放大器，可就不一樣了。乙類推挽功率放大器中，電流I1(綠色)和電流I2(藍色)絕不同時出現。I2產生之時，I1必定為零。在圖(09)中的階段2，圖(11)中三極管T1已經關斷，三極管T2導通，SP中電流仍要按照圖中紅色箭頭所指方向流動。但這是不可能的，因為三極管T1已經關斷，T2雖然導通，但T2不允許電流反方向流動，只能從T2發射極到集電極。如果SP中電流繼續按照圖(11)紅色箭頭方向流動，結果三極管就會被擊穿。

不過，早期的晶體管收音機多數採用如圖(10)那樣的推挽功率放大電路和動圈式揚聲器，怎麼就沒有發生三極管損壞的事情呢？

那是因為，第一揚聲器的電感性並不強，主要是電阻性。普通動圈式揚聲器標稱阻抗若為4歐，用萬用表測量電阻，大約3.2歐左右。可見動圈式揚聲器仍然是電阻性為主。電感性不強，返回功率放大器的能量就不會很大。第二，三極管被擊穿不一定損壞，只有損耗功率超出允許值才會損壞。我們常用的穩壓管，長期在擊穿狀態下工作，只要功率損耗在額定值之內，就不會損壞。第三，這類推挽功率放大器均工作於甲乙類狀態，也就是說，當T2中電流增加到某一比較小的數值時T1才徹底關斷。在T1和T2中均有電流情況下，允許揚聲器中能量返回到放大器。

然而，「即使被擊穿也不會損壞」，僅限於音頻功率為百多mW，頂多1～2W的便攜式收音機等，如果放大器輸出功率較大(當然，與之相配的揚聲器也大)，從揚聲器返回功率放大器的能量相對就較大，功率放大器中的管子就可能損壞。尤其是這類功率放大器為提高效率，總是讓電路工作於儘量接近於乙類。

其實從圖(10)和圖(11)中可以看出，要保護T1和T2不被擊穿而損壞，只要與T1和T2各反並聯一支二極管。反並聯二極管後，揚聲器中儲存的能量就可以通過二極管返回到直流電源，而不會使T1和T2兩端電壓增加太多而擊穿損壞。

從早期音頻功率放大器芯片說明書中典型應用電路，就可以看出上述關於揚聲器能量返回問題。圖(12)是典型的18W輸出音頻功率放大器芯片TDA2030A說明書中的應用電路。圖中可以看到，放大器輸出端(4腳)對電源正端和電源負端各接了一支普通二極管1N4001。之所以要接這樣兩支二極管，目的就是防止揚聲器中儲存的能量向推挽功率管倒流時擊穿功率管，因為較大功率的音頻放大器芯片往往電源電壓用到極限值，沒有多少富餘量，而且揚聲器功率較大，可以儲存的能量也較大。