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

圖(01)

我們測(cè)量一下電壓U1和電壓U2。如果電壓U1大于電壓U2，就可以判斷電阻R左端電位高于右端電位，顯然電阻中電流方向是從左向右，如圖(02)所示。此時(shí)我們就可以判斷是電池E1對(duì)電池E2充電。當(dāng)然，如果測(cè)量U1和U2結(jié)果相反，那就是E2對(duì)E1充電。

E1對(duì)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(dāng)電壓方向與電流方向相反時(shí)(例如上圖的左邊)，能量流出E1，當(dāng)電壓方向與電流方向相同時(shí)(例如上圖的右邊)，能量流入E2。

這是不是可以普遍應(yīng)用的規(guī)律？根據(jù)電壓的定義，這確實(shí)是可以普遍應(yīng)用的規(guī)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(jiǎn)單交流電路中，僅有一個(gè)交流電源E和一個(gè)電阻R作為負(fù)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(guān)系的波形如圖(04)所示。

圖(04)

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

只有交流電壓過(guò)零那一瞬間，電壓與電流同時(shí)為零，其乘積也為零，沒(méi)有能量傳輸，但其它時(shí)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(gè)電感如圖(05)，情況就大不一樣了。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，暫時(shí)我們不考慮電感中的種種損耗，假定圖(05)中電感L是個(gè)理想電感。另外，我們只考慮最簡(jiǎn)單的正弦電壓波形。

圖(05)

我們都知道：電感兩端電壓u超前于電感中電流i，對(duì)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(lán)色波形為電感兩端電壓波形，紅色波形為電感通過(guò)電流波形。

圖(06)

圖(06)中電壓和電流波形，有時(shí)方向相同，有時(shí)方向相反。為更詳細(xì)分析能量流動(dòng)方向，在圖(07)中我們把交流的一個(gè)周期分成幾個(gè)階段分析。

圖(07)

圖(07)中，我們選取電流由負(fù)變正那一時(shí)刻開(kāi)始分析。此一時(shí)刻之后的四分之一周期記為階段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(biāo)注的方向相同)。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之后的四分之一周期記為階段2。階段2中電壓和電流也在不斷變化，但電壓為負(fù)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之后的四分之一周期記為階段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(fù)(和圖(05)中標(biāo)注的方向相反)。二者均為負(fù)，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之后的四分之一周期記為階段4。階段4中電壓為正而電流為負(fù)，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(duì)理想電感，交流的每個(gè)周期內(nèi)，有兩次(各四分之一周期)能量是從交流電源流入電感，有兩次(各四分之一周期)能量是從電感流入交流電源。而且，由正弦波形的對(duì)稱性，階段1從交流電源流入電感的能量從數(shù)量上說(shuō)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(gòu)成的如圖(05)的電路中，能量在電源和電感之間往復(fù)流動(dòng)，往復(fù)的頻率為交流電頻率的二倍。在交流電的一個(gè)周期內(nèi)，電源對(duì)負(fù)載做功的平均值為零。正因?yàn)槿绱耍瑘D(05)中交流電壓u的有效值和交流電流i的有效值的乘積，并不表示電源做功的功率。這個(gè)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(fā)出的功率完全是無(wú)功功率。

如果圖(05)中的電感換成理想電容，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，交流電流將超前于電壓90°。從圖(06)和圖(07)中推出的能量流動(dòng)方向在電容電路中依然適用，即交流的一個(gè)周期內(nèi)，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(gè)周期內(nèi)，電源對(duì)電容做功的平均值為零。

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

圖(08)

這種情況下，電流落后于電壓的角度就不到90°，而是0～90°之間的某個(gè)值。圖(09)中畫(huà)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(gè)周期分成幾個(gè)階段來(lái)考慮。

從電流自負(fù)而正過(guò)零點(diǎn)為時(shí)間的開(kāi)始，階段1到電壓自正而負(fù)過(guò)零點(diǎn)結(jié)束，階段2到電流自正而負(fù)過(guò)零點(diǎn)結(jié)束，階段3到電壓自負(fù)而正過(guò)零點(diǎn)結(jié)束，階段4到電流自負(fù)而正過(guò)零點(diǎn)結(jié)束。

圖(09)中，階段1里面電壓與電流方向相同，電源E對(duì)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(chǔ)存的能量返回電源，同時(shí)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(duì)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(chǔ)存的能量返回電源，同時(shí)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(fù)載，在交流的一個(gè)周期內(nèi)，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(gè)周期內(nèi)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(wèn)題在于：交流電源是否允許能量返回到電源？這可不是默認(rèn)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(gè)很常見(jiàn)的音頻推挽功率放大器。T1和T2是互補(bǔ)的兩支三極管，SP是揚(yáng)聲器，E1和E2是直流電源。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，T1和T2的驅(qū)動(dòng)電路圖中未畫(huà)出。

動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)是銅或鋁線繞制的音圈放置于磁鐵的磁場(chǎng)縫隙中，音圈中通過(guò)電流時(shí)就會(huì)受到磁場(chǎng)作用力，推動(dòng)揚(yáng)聲器的振膜運(yùn)動(dòng)發(fā)聲。動(dòng)圈式揚(yáng)聲器是典型的既含電感又含電阻的負(fù)載。

我們知道，推挽功率放大器兩支管子，可以工作于甲類、乙類或者甲乙類。

推挽工作于甲類，就是一個(gè)周期內(nèi)任一管子中總有電流，不會(huì)中斷，即在交流的一個(gè)周期內(nèi)不會(huì)有一段時(shí)間電流為零。也就是說(shuō)，圖(11)中T1管中電流I1(用綠色表示)和T2管中電流I2(用藍(lán)色表示)無(wú)論何時(shí)總不會(huì)中斷。圖(11)中我們可以看出：負(fù)載中的電流I為T(mén)1中電流I1與T2中電流I2之差。

推挽工作于乙類，就是兩管輪流導(dǎo)通，任何時(shí)刻總有一管中電流為零，換句話說(shuō)，圖(11)中T1管中電流I1(用綠色表示)和T2管中電流I2(用藍(lán)色表示)絕不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。

推挽工作于甲乙類，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(lán)色表示)有中斷之時(shí)，也有同時(shí)出現(xiàn)之時(shí)。

如果圖(10)中的音頻推挽功率放大器工作于甲類，那么既含電阻又含電感的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器負(fù)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(diǎn)電壓為正，但到階段2的開(kāi)始，A點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)為負(fù)值，由圖(09)中我們看到：揚(yáng)聲器中電流卻要繼續(xù)在正方向流動(dòng)。對(duì)甲類工作的推挽功率放大器來(lái)說(shuō)，這不成問(wèn)題：只要電流I1稍大于I2，就可以讓揚(yáng)聲器SP中電流按照原來(lái)(階段1)的方向流動(dòng)。也就是說(shuō)，對(duì)甲類推挽功率放大器來(lái)說(shuō)，允許負(fù)載向電源(推挽功率放大器)返回能量。

圖(11)

但對(duì)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(lán)色)絕不同時(shí)出現(xiàn)。I2產(chǎn)生之時(shí)，I1必定為零。在圖(09)中的階段2，圖(11)中三極管T1已經(jīng)關(guān)斷，三極管T2導(dǎo)通，SP中電流仍要按照?qǐng)D中紅色箭頭所指方向流動(dòng)。但這是不可能的，因?yàn)槿龢O管T1已經(jīng)關(guān)斷，T2雖然導(dǎo)通，但T2不允許電流反方向流動(dòng)，只能從T2發(fā)射極到集電極。如果SP中電流繼續(xù)按照?qǐng)D(11)紅色箭頭方向流動(dòng)，結(jié)果三極管就會(huì)被擊穿。

不過(guò)，早期的晶體管收音機(jī)多數(shù)采用如圖(10)那樣的推挽功率放大電路和動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，怎么就沒(méi)有發(fā)生三極管損壞的事情呢？

那是因?yàn)椋谝粨P(yáng)聲器的電感性并不強(qiáng)，主要是電阻性。普通動(dòng)圈式揚(yáng)聲器標(biāo)稱阻抗若為4歐，用萬(wàn)用表測(cè)量電阻，大約3.2歐左右。可見(jiàn)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器仍然是電阻性為主。電感性不強(qiáng)，返回功率放大器的能量就不會(huì)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(huì)損壞。我們常用的穩(wěn)壓管，長(zhǎng)期在擊穿狀態(tài)下工作，只要功率損耗在額定值之內(nèi)，就不會(huì)損壞。第三，這類推挽功率放大器均工作于甲乙類狀態(tài)，也就是說(shuō)，當(dāng)T2中電流增加到某一比較小的數(shù)值時(shí)T1才徹底關(guān)斷。在T1和T2中均有電流情況下，允許揚(yáng)聲器中能量返回到放大器。

然而，“即使被擊穿也不會(huì)損壞”，僅限于音頻功率為百多mW，頂多1～2W的便攜式收音機(jī)等，如果放大器輸出功率較大(當(dāng)然，與之相配的揚(yáng)聲器也大)，從揚(yáng)聲器返回功率放大器的能量相對(duì)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，總是讓電路工作于盡量接近于乙類。

其實(shí)從圖(10)和圖(11)中可以看出，要保護(hù)T1和T2不被擊穿而損壞，只要與T1和T2各反并聯(lián)一支二極管。反并聯(lián)二極管后，揚(yáng)聲器中儲(chǔ)存的能量就可以通過(guò)二極管返回到直流電源，而不會(huì)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(shuō)明書(shū)中典型應(yīng)用電路，就可以看出上述關(guān)于揚(yáng)聲器能量返回問(wèn)題。圖(12)是典型的18W輸出音頻功率放大器芯片TDA2030A說(shuō)明書(shū)中的應(yīng)用電路。圖中可以看到，放大器輸出端(4腳)對(duì)電源正端和電源負(fù)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(yáng)聲器中儲(chǔ)存的能量向推挽功率管倒流時(shí)擊穿功率管，因?yàn)檩^大功率的音頻放大器芯片往往電源電壓用到極限值，沒(méi)有多少富余量，而且揚(yáng)聲器功率較大，可以儲(chǔ)存的能量也較大。

圖(12)

那么，為什么不是所有的音頻功率放大器芯片都要求在外部接上這么兩支二極管？這是因?yàn)椋鄶?shù)音頻功率放大器芯片把這兩支二極管做到了芯片內(nèi)部，這并不困難。例如，輸出功率達(dá)到80W的LM12芯片就把兩支二極管做到了芯片內(nèi)部，如圖(13)紅色圈內(nèi)所示。

圖(13)

圖(13)就是音頻功率放大器芯片LM12內(nèi)部電路，Q14和Q15就是為防止輸出端負(fù)載儲(chǔ)存能量倒流入放大器致使Q12或者Q13擊穿設(shè)置的。實(shí)際上，Q14和Q15利用了其發(fā)射結(jié)，而將管子的集電極接到了電源上。

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