神奇的整流桥对偶电路

01 对偶电路

一、整流桥

学习过电子线路的人对于这个电路都很熟悉。这就是交流电压整流桥电路。从桥电路的中间两个节点，输入交流电压信号。在另外两个节点就会输出整流后的单向电压信号。如果再加上滤波器件，比如电容，电感，则会形成直流电压信号。

二、对偶电路

如果把这里的整流桥看成一个双端口电路，它的输入端口为交流电压，输出端口则是整流后的直流电压。该电路完成这两个电压信号的转换。下面问一个有趣的问题，这个电路的对偶电路该怎么设计？ 所谓的对偶电路，就是从双端口电路的一个端口输入直流电流信号，注意，不是电压信号。则从另外一个端口输出交流电流信号。交流信号的大小与输入直流信号相同，至于电流的方向，则与改端口负载电压有关系。如果负载电压上正下负，则电流从端口上面流出，从下面流入。； 反之，如果下正上负，则电流从下面流出，从上面流入。那么整流桥的对偶电路该怎么设计呢？

在讨论设计之前，我们先说一下，这个电路到底有什么用途。如果对一个蓄电池进行充电，无论蓄电池的正负极如何连接交流输出端口，该电路总能给蓄电池进行正确的充电。不会因为极性接反而无法给蓄电池充电。

三、设计思路来源

当然，设计这个整流桥对偶电路的方案应该有很多，那么，哪一种是最简单的设计方案呢？关于这个问题，直到我在B站这个视频后面网友的留言中，看到一个令人感到震惊的简单设计方案。

他在留言中，记录了在整理他爷爷的遗物时 发现的一些笔记本。他爷爷是1957年清华无线电系毕业的学生。直到去世都对电子设计独有情钟。在这个绘有详细电路图，写满理解观点的笔记本上，就记录了这样一个神奇的整流桥对偶电路的设计方案。他将该电路称为“魔方”桥。

使用了 两对 NPN，PNP三极管，组成 一个桥电路。从左边输入直流电流信号。右边给锂电池充电。无论锂电池的极性如何，该电路总能保证从锂电池正极输入电流。如此简洁的设计，令人感到惊叹。

四、电路仿真

为了说明这个电路的工作原理，这里在LTspice中重新搭建了这个电路。使用 2N3904、2N3906 替代原来电路中的 8050、8550 三极管。这四个三极管组成了一个桥电路。左边是一个电流源，设置一个 100mA 的恒流输入。右边则是一个交流电压源，下面，我们先通过仿真看一下电压源流入电流 与它的电压之间的关系。一、看是否电流是交流；  二、看电流的极性是否与电压极性相同。

根据仿真结果来看，电流的确是一个交变电流。峰峰值也是100mA。电流的极性与电压的极性是相同。由此可以证明该电路的确是把直流输入成了交流电流输出。

▲ 图1.4.1 电压源上的电压与电流波形

  将交流电压修改成方波信号，可以看到电流方向的改变与电压极性改变是同时改变的。

▲ 图1.4.2 方波电压源上的电压与电流波形

  将电压原修改为三角波信号，可以看到电流信号的变化。电流从0变化到 100mA时，需要电压源的电压超过 0.7V。当电压源小于0.7V的时候，输出电流近似与电压成正比。

▲ 图1.4.3 三角波交流电压与电流

※ 总  结 ※

本文讨论并验证了一个神奇的整流桥对偶电路。对于它的的工作原理，可以参照这位清华老学长的笔记。其中讨论了三极管倒置情况下的应用 。今天时间不早了，快到凌晨了。下次再讨论这个有趣的电路吧。