諧振式直交流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

張友華

(松陵第一中學(xué)，江蘇 蘇州 215200)

1 引 言

交流電經(jīng)過二極管整流就會成為直流電，可要把直流電變?yōu)榻涣麟娋筒皇呛芎唵瘟? 傳統(tǒng)的做法是使用“逆變電路”(例如計算機(jī)的 UPS電源即此種電路 )，電路復(fù)雜，技術(shù)難度大，成本高，一般業(yè)余條件下難以做到. 為滿足實(shí)際教學(xué)的需要，制作了諧振式直交流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng). 利用加入電位器、閃光器、單擺(可利用機(jī)械擺鐘)、變壓器、發(fā)光二極管、蜂鳴器、電壓表、開關(guān)等制作成簡易電路，成功地使直流電變?yōu)榻涣麟?，利用示波器對直交流電波形進(jìn)行直觀形象的觀察，作為物理實(shí)驗(yàn)教具效果明顯.

2 諧振式直交流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

諧振式直交流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是利用5 mm的黑色亞克力板材制成帶底座的豎直平面盒狀框架結(jié)構(gòu)，豎直平面盒的正面印制電路，將一些必要的元件鑲嵌于盒的正面，盒內(nèi)布置其電路和其他一些電路元件. 盒的背面用透明亞克力板，以便對電路的實(shí)際布置進(jìn)行清晰地觀察.

諧振式直交流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分別基于電位器、閃光器和單擺3種方式進(jìn)行直交流轉(zhuǎn)換.

3 諧振式直交流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理與方法

1)基于電位器的直交流轉(zhuǎn)換原理

如圖1所示為基于電位器直交流轉(zhuǎn)換的電路圖. P為常用的三腳電位器(相當(dāng)于中間有抽頭的滑動變阻器)，電壓表量程為±15 V. 通過使電位器旋鈕順時針逆時針做周期性運(yùn)動，可以觀察到電壓表的示數(shù)也呈現(xiàn)周期性變化. 通過示波器用直流電演示交流電的波形.

圖1 基于電位器直交流轉(zhuǎn)換電路圖

首先用直流電壓表觀察直流電形成的交流電. 按如圖1所示接好電路，雙電源分別是8節(jié)1.5 V干電池，實(shí)驗(yàn)時先將電位器的旋鈕置于電壓零點(diǎn)位置，閉合開關(guān)K1和K2，電壓表的指針不動，表示電路間的電壓為零. 然后將電位器旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)，觀察到電壓表的指針向右偏轉(zhuǎn)，電壓表的示數(shù)逐漸增加；接著再將電位器旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)，指針逐步回到零刻度，繼而向左偏轉(zhuǎn)，電壓表的示數(shù)增大. 電位器的旋鈕往復(fù)轉(zhuǎn)動，電壓表的指針左右擺動，說明此時電路間輸出強(qiáng)弱和方向周期性變化的交流電，并且它的頻率隨電位器旋鈕旋轉(zhuǎn)的快慢變化而變化.

完成上述實(shí)驗(yàn)后再用示波器觀察上述交流電的波形. 關(guān)于上述實(shí)驗(yàn)，作以下幾點(diǎn)說明：

在圖1中，電位器的旋鈕置于電壓零點(diǎn)位置時，電路間輸出的電壓為零. 說明如下：設(shè)每節(jié)干電池電動勢均為E，內(nèi)阻均為r，電位器的總電阻為R，則電路中電流為I=16E/(16r+R)，電路間的電壓為U=8E-I(8r+R/2)=8E-[16E/(16r+R)](8r+R/2)=0.

在圖1中，電位器的旋鈕往復(fù)轉(zhuǎn)動時電路間的電壓就是強(qiáng)弱和方向都隨時間變化的交流電壓. 由于電位器的旋鈕零點(diǎn)等電勢(上面已證明)，旋鈕順時針轉(zhuǎn)動時,因此電位器零點(diǎn)左邊各點(diǎn)的電勢就高于零點(diǎn)的電勢，而變阻器中點(diǎn)右邊各點(diǎn)的電勢就低于零點(diǎn)的電勢，且此電勢差隨著距零點(diǎn)的距離增大而增大，旋鈕逆時針轉(zhuǎn)動時道理相同. 這樣電位器的旋鈕左右往復(fù)轉(zhuǎn)動時電路間就輸出了交流電.

2)基于閃光器的直交流轉(zhuǎn)換

圖2為基于閃光器的直交流轉(zhuǎn)換電路圖. S是閃光器,B是變壓器，電壓表的量程為±15 V. 閃光器具有自動接通電路、自動斷開電路的功能,它只有2個接線端子,使用時要求串聯(lián)接入電路. 閉合電鍵,在 S的控制下 ,電路不停地閉合、斷開,這時就會看到發(fā)光二極管LED1和LED2不停地交替閃爍,這是由于流過變壓器初級線圈的電流時通時斷,穿過初級線圈的磁通量發(fā)生變化,變壓器另一次級線圈的磁通量隨之發(fā)生變化， 次級線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢. 若當(dāng) S接通時流過的感應(yīng)電流方向?yàn)閺纳系较?當(dāng)S斷開時流過電路的電流就是從下到上 ,于是電壓表指針不停地左右擺動,也就是說得到了交流電. 由于 S的通、斷是按照一定的頻率有規(guī)律地進(jìn)行，可以觀察到電壓表的示數(shù)也呈現(xiàn)周期性變化，這時接入示波器，可以在示波器上觀察到完美的正弦波形.

圖2 基于閃電器直交流轉(zhuǎn)換電路圖

3)基于單擺方式的直交流轉(zhuǎn)換

圖3為基于單擺方式的研究的電路圖. A和B為水槽的2個電極，電壓表的量程為±15 V. 通過使單擺在水中做周期性運(yùn)動可以觀察到電壓表的示數(shù)也呈現(xiàn)周期性變化. 通過示波器用直流電演示交流電的波形.

圖3 基于單擺的直交流轉(zhuǎn)換電路圖

至于單擺在水中擺動，阻尼太大，很難實(shí)現(xiàn)持續(xù)一定時間的擺動的問題. 基于此我們要做的就是盡可能的去減小阻尼. 首先將原來鐘擺的擺改為質(zhì)量較大的鐵球，用鐵球做為擺，目的是為了增大擺球擺動的能量，因?yàn)椋瑪[在擺動的過程中實(shí)際上就是重力勢能和動能的不斷轉(zhuǎn)化，而重力勢能和動能主要取決于擺球的質(zhì)量. 其次，在鐵球下焊接了一個傳統(tǒng)中醫(yī)針炙用的非常細(xì)的銀針，實(shí)際上單擺在擺動過程中與水接觸，在水中不斷地往復(fù)劃過的是這個很細(xì)的銀針，因?yàn)檫@樣的設(shè)計使得單擺在擺動的過程中阻尼大大的減小，從而使實(shí)驗(yàn)獲得成功.

實(shí)驗(yàn)時先將單擺靜止置于平衡位置，閉合開關(guān)K,K1和K2，電壓表的指針不動，表示電路中的電壓為零. 然后將單擺向右擺動，觀察到電壓表的指針向右偏轉(zhuǎn)，電壓表的示數(shù)逐漸增加；接著再將單擺向左擺動，指針逐步回到零刻度，繼而向左擺動，電壓表的示數(shù)增大. 單擺往復(fù)擺動，電壓表的指針左右擺動，說明此時電路間輸出強(qiáng)弱和方向周期性變化的交流電，并且變化規(guī)律完全與簡諧運(yùn)動的變化規(guī)律等同. 完成上述實(shí)驗(yàn)后再用示波器觀察上述交流電的波形，會得到正弦波形，可以籍此來研究單擺做簡諧運(yùn)動的圖像問題. 關(guān)于上述實(shí)驗(yàn)的原理與基于電位器的直交流轉(zhuǎn)換同理. 實(shí)際實(shí)驗(yàn)時可用機(jī)械鐘擺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以期得到穩(wěn)定而又持續(xù)的交流電.

4 結(jié)束語

諧振式直交流電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有很強(qiáng)的直觀性，能通過示波器將直流電交流電的波形直觀形

象地呈現(xiàn)出來. 該系統(tǒng)能滿足于現(xiàn)有學(xué)校物理實(shí)

驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)效果好，能完成所涉的中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)，功能性強(qiáng)、拓展性強(qiáng).