電壓可以是負(fù)的嗎?
負(fù)電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀。也許這是因?yàn)樵S多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源,或者因?yàn)椤柏?fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202304/445355.htm負(fù)電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀。也許這是因?yàn)樵S多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源,或者因?yàn)椤柏?fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。盡管可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)許多有用甚至高性能的設(shè)備,但理解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵,大多數(shù)從事電子工作的人最終都會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路(圖1)。
電壓可以是負(fù)的嗎?
除了解釋負(fù)電壓的性質(zhì)外,本文還簡(jiǎn)要討論了負(fù)電壓是如何產(chǎn)生的,以及它們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中有用的原因。
負(fù)電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀。也許這是因?yàn)樵S多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源,或者因?yàn)椤柏?fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。盡管可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)許多有用甚至高性能的設(shè)備,但理解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵,大多數(shù)從事電子工作的人最終都會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路(圖1)。
同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。
圖1.同時(shí)使用正負(fù)電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。
電壓快速回顧
“電壓”這個(gè)詞現(xiàn)在在技術(shù)和日常語(yǔ)境中都很常見(jiàn),所以偶爾提醒自己從科學(xué)的角度來(lái)看電壓到底是什么是個(gè)好主意。
電荷可以在世界上做功,功是用能量的科學(xué)概念來(lái)分析和量化的。如果帶電粒子通過(guò)電線移動(dòng),例如導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn),則它們具有能量并且正在積極做功。電壓是電能,但不是有功能量。在適當(dāng)?shù)那闆r下,電壓告訴我們帶電粒子做功的能力——換句話說(shuō),電壓是勢(shì)能的一種形式。更具體地說(shuō),它是每庫(kù)侖電荷的電勢(shì)能(以焦耳為單位)。
然而,這個(gè)定義仍然不完整,因?yàn)殡妷翰荒芄铝⒋嬖凇.?dāng)電荷開(kāi)始做功時(shí),它會(huì)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置,同樣,我們必須將電壓測(cè)量為一個(gè)位置的勢(shì)能(每單位電荷)相對(duì)于其他位置的勢(shì)能(每單位電荷) . 因此,電壓始終是差分測(cè)量。當(dāng)我們說(shuō)某個(gè)點(diǎn)的電路“處于五伏”時(shí),我們真正的意思是相對(duì)于電路假定的零伏參考點(diǎn)的五伏。
為了幫助理解電壓,圖2 顯示了電路和電荷流的示例圖,以及一個(gè)有用的類比。
圖 2.用于理解電壓的示例圖和水類比。
什么是負(fù)電壓?
負(fù)電壓與正電壓沒(méi)有根本區(qū)別;兩者都代表相對(duì)于參考勢(shì)能的勢(shì)能。如果電路節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)處于正電壓,并且當(dāng)我們將這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)體連接時(shí),常規(guī)電流將從正節(jié)點(diǎn)流向參考節(jié)點(diǎn)。如果負(fù)電壓的電路節(jié)點(diǎn)連接到參考節(jié)點(diǎn),常規(guī)電流將從參考節(jié)點(diǎn)流向負(fù)節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)記住,在低壓電子設(shè)計(jì)中,參考節(jié)點(diǎn)通常稱為“接地”,但“電路公共”之類的名稱會(huì)更準(zhǔn)確。
為了更好地理解這個(gè)概念,我認(rèn)為高度類比在這里會(huì)有所幫助。比方說(shuō)珠穆朗瑪峰有 29,032 英尺高,但孤立地報(bào)告時(shí),這個(gè)數(shù)字實(shí)際上毫無(wú)意義。我們真正的意思是珠穆朗瑪峰海拔 29,032 英尺。海平面被定義為高度為零——即,它是參考高度。地球上最低的陸地高度,對(duì)應(yīng)于死海表面,大約低于海平面 1,400 英尺,我們可以將其描述為負(fù) 1,400 英尺的高度。
正負(fù)高度之間的差異是它們相對(duì)于零高度參考點(diǎn)的位置,就像正電壓和負(fù)電壓之間的差異是它們相對(duì)于零伏參考節(jié)點(diǎn)的電氣“位置”一樣。如果我們使用馬里亞納海溝底部作為參考點(diǎn),珠穆朗瑪峰和死海都會(huì)有正高度。如果我們使用平流層的上邊緣作為參考點(diǎn),則兩個(gè)高度都將為負(fù)值。同樣,我們可以通過(guò)生成新電壓并將其用作零伏參考點(diǎn)來(lái)將正電壓“改變”為負(fù)電壓,反之亦然。
高度比較特別貼切,因?yàn)橹亓Φ淖饔妙愃朴陔妱?shì)能的作用。珠穆朗瑪峰上的球會(huì)滾向海平面,海平面上的球會(huì)滾向死海沿岸。類似地,正電壓導(dǎo)致常規(guī)電流從正節(jié)點(diǎn)流向參考節(jié)點(diǎn),而負(fù)電壓導(dǎo)致電流從參考節(jié)點(diǎn)流向負(fù)節(jié)點(diǎn)。
產(chǎn)生負(fù)電壓
基本電路通常以未穩(wěn)壓電源開(kāi)始,例如,來(lái)自電池或壁式變壓器,使用線性穩(wěn)壓器將其降至 5 V 或 3.3 V。我們不能使用這種方法產(chǎn)生負(fù)電壓——不是因?yàn)樨?fù)電壓與正電壓根本不同,而是因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器通過(guò)耗散能量來(lái)發(fā)揮作用。要將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓,我們可以使用也存儲(chǔ)能量的穩(wěn)壓器電路。
電容器和電感器是可以儲(chǔ)存能量的基本電子元件,都可以用來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓?;陔娙萜鞯呢?fù)電壓發(fā)生器屬于電源電路的“電荷泵”類別,而基于電感器的負(fù)電壓發(fā)生器屬于“開(kāi)關(guān)模式”類別?;陔姼衅鞯慕鉀Q方案,也稱為DC/DC 轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源,更為常見(jiàn)。
圖 3.顯示為兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 供電的正電壓和負(fù)電壓的示例圖可用于緩沖運(yùn)算放大器的輸出電流。
盡管許多電子設(shè)備在沒(méi)有負(fù)電源電壓的情況下也能實(shí)現(xiàn)其所需的功能,但一些應(yīng)用會(huì)從“雙極”電源(即具有正電壓軌和負(fù)電壓軌的電源)的存在中受益匪淺。例如,負(fù)電壓允許正弦信號(hào)在零以上和以下延伸,就像理論上的正弦信號(hào)一樣,并且具有雙極電源的高功率放大器不需要(可能很昂貴)隔直電容器。
而這個(gè)設(shè)計(jì)有其獨(dú)特意義所在。
評(píng)論