电路中的功率与能量转换

闭合电路中的功率及效率问题

1．电源的总功率

(1)任意电路：P总＝EI＝U外I＋U内I＝P出＋P内． (2)纯电阻电路：P总＝I2(R＋r)＝E2R＋r.

2．电源内部消耗的功率：P内＝I2r＝U内I＝P总－P出．

3．电源的输出功率

(1)任意电路：P出＝UI＝EI－I2r＝P总－P内．

(2)纯电阻电路：P出＝I2R＝E2RR＋r2＝E2R－r2R＋4r.

(3)纯电阻电路中输出功率随R的变化关系

①当R＝r时，电源的输出功率最大为Pm＝E24r.

②当R>r时，随着R的增大输出功率越来越小．

③当R

④当P出

⑤P出与R的关系如图4所示．

4．电源的效率

(1)任意电路：η＝P出P总×100%＝UE×100%. (2)纯电阻电路：η＝RR＋r×100%＝11＋rR×100%

因此在纯电阻电路中R越大，η越大；当R＝r时，电源有最大输出功率，效率仅为50%.

特别提醒 当电源的输出功率最大时，效率并不是最大，只有50%；当R→∞时，η→100%，但此时P出→0，无实际意义．

“等效电源法”的应用

例1 如图5所示，已知电源电动势E＝5 V，内阻r＝2 Ω，定值电阻R1＝0.5 Ω，滑动变阻器R2的阻值范围为0～10 Ω.求：

图5

(1)当滑动变阻器R2的阻值为多大时，电阻R1消耗的功率最大？最大功率是多少？

(2)当滑动变阻器的阻值为多大时，滑动变阻器消耗的功率最大？最大功率是多少？

(3)当滑动变阻器的阻值为多大时，电源的输出功率最大？最大功率是多少？

解析 (1)定值电阻R1消耗的电功率为P1＝I2R1＝E2R1R1＋R2＋r2，可见当滑动变阻器的阻值R2＝0时，R1消耗的功率最大，最大功率为P1m＝E2R1R1＋r2＝2 W.

(2)将定值电阻R1看做电源内阻的一部分，则电源的等效内阻r′＝R1＋r＝2.5 Ω，故当滑动变阻器的阻值R2＝r′＝2.5 Ω时，滑动变阻器消耗的功率最大，最大功率为P2m＝E24r′＝2.5 W.

电路中的能量转化

【教学目标】

1．理解电功的概念，知道电功是指电场力对自由电荷所做的功，理解电功的公式，能进行有关的计算。

2．理解电功率的概念和公式，能进行有关的计算。

3．知道电功率和热功率的区别和联系。

4．通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养分析、推理能力。

【教学重点】

…

电功和电热的计算。

【教学难点】

电流做功的表达式的推导，纯电阻电路和非纯电阻电路在能量转化过程中的区别。

【教学过程】

一、创设情景，导入新课

教师：用电器通电后，可以将电能转化成其他形式的能量，请同学们列举生活中常用的用电器，并说明其能量的转化情况。

学生举例：

1．电灯将电能转化为内能和光能。

》

2．电炉将电能转化为内能。

3．电动机将电能转化为机械能。

4．电解槽将电能转化为化学能。

教师：用电器把电能转化成其他形式能的过程，就是电流做功的过程。电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢本节课我们学习关于电功和电功率的知识。

二、新课教学

（一）电功和电功率

请同学们思考下列问题：

（1）电场力的功的定义式是什么

*

（2）电流的定义式是什么

答：电场力的功的定义式𝑊=𝑊𝑊。

电流的定义式𝑊=𝑊𝑊

如图所示，一段电路两端的电压为U，由于这段电路两端有电势差，电路中就有电场存在，电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流I。

在时间t通过这段电路上任一横截面的电荷量q是多少

这相于在时间t内将这些电荷q由这段电路的一端移到另一端。在这个过程中，电场力做了多少功

电场力做功的功率是多少

这些公式分别用语言怎么描述

?

教师讲解：

在时间t内，通过这段 电路上任一横截面的电荷量𝑊=𝑊𝑊

在这一过程中，电场力做的功𝑊=𝑊𝑊=𝑊𝑊𝑊

电场力做功的功率为𝑊=𝑊𝑊=𝑊𝑊

电功：电流在这一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。

055001-1

第31

卷第5

期强激光与粒子束

Vol.31,

No.5

2019

年5

月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMa

y,

2019 脉冲功率系统中能量回收电路的改进*

李

伟

(成都致研新能电子科技有限公司,成都

610031)

摘

要:

串联型能量回收电路从电路结构上保证了异常条件下脉冲功率系统中充电电源的安全,但恒流

充电电源经回收电感向储能电容充电时会引起回收电路的振荡,不仅会造成充电电源输出过压和回收电感损

耗增加,还会导致充电电压一致性明显变差等问题。在分析了回收电路振荡特性的基础上,提出了在回收电感

两端并接旁路开关和双路充电输入的电路结构以及相应的充电控制方法,不仅可以抑制回路振荡从而提高充

电一致性,还可以消除回收电感和旁路开关的不必要损耗且控制方法也简单通用。对包含有串接型回收电路

的600V/

400A

充电系统进行了电路仿真和实验验证,实验结果表明:在600V

重频条件下,回收电路的改进

方案可将储能电容电压的充电一致性偏差由10V

降低到2.6V,对应的相对偏差由

1.7%

降低到0.5%

以内。

关键词:

能量回收;

恒流充电;

充电电源;

振荡抑制

中图分类号: TN86

文献标志码: A doi:

10.11884/

HPLPB201931.180359

Im

provementofener

gyrecover

ycircuitin

pulsed

powers

ystem

LiWei

(

Chen

gduZhi

yanNewEner

gyTechnolo

gyCo.,

Ltd,

Chen

gdu610031,

China)

Abstract:

Seriest

ypeener

gyrecover

ycircuit

guaranteesthesafet

yofchar

gin

gpowersu

ppl

yin

pulse

pow

-

ers

ystemunderabnormalconditionsrel

yin

goncircuitstructure,

组号：31号

一、问题重述

题目A:运算放大器的应用

1、任务

基础部分：

1、 利用运算放大器，设计制作一个三角波发生电路。

2、 将上述三角波经波形转换电路后输出正弦波。

扩展部分：

3、 利用集成运算放大器，制作一个功率放大电路，驱动扩音器发声，输入信号为上述正弦波。

4、 使用三极管自搭运算放大器实现3中功能。

2、要求

1、三角波和正弦波频率为6kHz，峰峰值分别为2V和4V，波形无明显失真，测试点分别为Uo1和Uo2。

2、正弦波经功率放大后驱动额定功率0.5W，阻抗8Ω的扩音器，测试扩音器输入端Uo3，波形无明显失真。

二、设计方案概述

由于本次题目的模块性非常强，所以本组采用模块化制作方法，对每一个小题分别进行仿真与实际焊接，各自设计单独模块，在每一个模块正常工作的情况下对电路进行整合调试。本组作品共设计制作了四个模块，如下所示：

1. 三角波发生电路

2. 三角波—正弦波转换电路

3. 集成功率放大电路

4. 三极管功率放大电路

实物焊接图如下：

图1实物焊接图

三、单元模块详解 1、三角波发生电路

图2三角波发生电路图

图2为三角波发生电路图，核心元件为一个LM324集成运算放大器。本电路可分为三部分，每部分又以LM324的一块电路为核心搭建而成。

第一部分为方波产生电路，利用施密特触发器，再增加少量电阻、电容原件，由于方波或矩形波的频率成分非常丰富，含有大量的谐波，该方波发生器常称为多谐振荡器。

第二部分为积分电路，由第一部分产生的方波经积分电路做积分运算即可得到三角波。

第三部分为负反馈电压放大器，由于题目要求三角波频率为6kHz，峰峰值为2V，第二部分输出的三角波频率满足条件，但峰峰值过小只有几百毫伏，因此额外增加了电压放大器。

图3三角波仿真效果图

图4三角波实际效果图

2、三角波—正弦波转换电路

图5三角波—正弦波转换电路

图5为三角波—正弦波转换电路，由差分放大器和电压跟随器器组成，核心元件为LM324运算放大器。