用電子開關(guān)和示波器探究斷電自感

楊小平 黃釗鳳

(平南縣中學(xué) 廣西 平南 537300)

斷電自感分為二種情況：第一種是電感線圈二端并聯(lián)有電阻(如小燈泡)，開關(guān)可視為理想開關(guān)，斷電后線圈的自感電流流經(jīng)并聯(lián)電阻且按指數(shù)規(guī)律衰減;線圈的電流的變化率主要取決于并聯(lián)電阻的大小.因線圈本身的電阻不能忽略，所以自感電動勢并不等于線圈二端電壓.雜志上常有文章討論這種斷電自感實驗.第二種是電感線圈二端無并聯(lián)電阻，線圈電流的變化率主要取決于開關(guān)斷開過程的接觸電阻的變化率，線圈的自感電流與電源構(gòu)成回路，電流的衰減規(guī)律較為復(fù)雜.在開關(guān)斷電速度不是極高的條件下，可以忽略線圈本身的電阻和分布電容的影響，所以可認為自感電動勢等于線圈二端電壓.日光燈的起輝過程和日常用電器發(fā)生的斷電自感現(xiàn)象都屬第二種情況.本文介紹用可調(diào)關(guān)斷速度的電子開關(guān)和示波器探究第二種斷電自感現(xiàn)象.

1 機械開關(guān)的斷電過程和電子開關(guān)工作原理

1.1 機械開關(guān)的斷電過程

實際的機械開關(guān)在斷電時并不是瞬間斷開，而是存在接觸電阻逐漸增大的過程.具體斷電過程是開關(guān)的動觸頭和靜觸頭的接觸壓力越來越小，觸頭間的接觸電阻就越來越大.當(dāng)觸頭即將分離至剛分離時，接觸處表面的金屬熔化，形成金屬滴橋.觸頭進一步分離，金屬滴橋被拉斷，動靜觸頭間形成電弧.當(dāng)二觸頭的距離增大到一定程度后電弧被拉斷，這個過程中觸頭的接觸電阻從很小變至無窮大，完成斷開過程.由此看出，機械開關(guān)的斷電過程很復(fù)雜，斷電速度不可控，不利于探究自感現(xiàn)象.

1.2 電子開關(guān)的工作原理

圖1是用工作頻率約為100 Hz的電子開關(guān)探究斷電自感的實驗電路.時基集成電路IC與電阻R1、R2及電容C1組成方波信號發(fā)生器，方波信號從IC 的3腳輸出，周期10 ms.電位器R3、R4、電阻R5、電容C2、二極管D和三極管Q組成可調(diào)關(guān)斷速度(時間)的電子開關(guān).調(diào)節(jié)R3可調(diào)節(jié)三極管的關(guān)斷過程的時間.顯然，三極管的關(guān)斷過程就是c-e結(jié)電阻越來越大的過程.L為被測電感線圈，采用10 W左右的小型電源變壓器的初級線圈，直流電阻幾百到1 000 Ω .示波器的信號輸入端與線圈L二端連接.Q采用小功率高反壓三極管，型號如13001.時基集成電路IC的型號為NE555.

圖1

接通電源，IC的3腳輸出方波信號，IC的3腳輸出高電平時，C2被迅速充電，A點電位迅速上升，Q導(dǎo)通，線圈L二端電壓等于電源電壓.IC的3腳輸出低電平時，C2分二路經(jīng)相關(guān)元件對地放電，A點電位逐漸下降，當(dāng)Q從飽和區(qū)進入放大區(qū)時，Q開始逐漸關(guān)斷，線圈同時產(chǎn)生斷電自感電動勢.調(diào)節(jié)R3可調(diào)節(jié)C2的放電時間，亦即調(diào)節(jié)A點電位的下降速度，從而可調(diào)節(jié)Q的關(guān)斷速度.如果把R3調(diào)至最小，C2經(jīng)IC的3腳對地迅速放電，Q迅速關(guān)斷；如果把R3調(diào)至最大，A點電位的下降速度最慢，Q關(guān)斷過程的時間最長.R4用于調(diào)節(jié)Q的基極電流，使得三極管Q在IC的3腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r馬上進入放大區(qū)，調(diào)節(jié)R4時觀察線圈L的電壓波形，使L的電壓波形的高電平段寬度最短，即等于方波信號的高電平的寬度(5.6 ms).此時Q的基極電流最佳.

2 實驗探究

2.1 自感電動勢的波形及相關(guān)因素分析

由圖1，調(diào)節(jié)電位器R3在某一值，使三極管處于某一關(guān)斷速度，示波器測得線圈的二端電壓波形如圖2的下圖所示.此時三極管的關(guān)斷過程所用時間用下面方法確定：用一個5 kΩ左右的電阻替換線圈L，示波器測得此電阻二端電壓波形如圖2的上圖所示，從此電阻的電壓波形看出，高低電平之間的弧線段就是三極管關(guān)斷過程的時間.

圖2

從圖2看出，線圈的自感電動勢是一反向尖峰脈沖，其底部(零電壓處)寬度基本等于三極管關(guān)斷過程所用時間.所以可以把自感電動勢反向尖峰脈沖底部寬度看作三極管關(guān)斷過程所用時間，但條件是脈沖底寬必須達到毫秒級，從而可忽略線圈分布電容的影響.從圖2還可以看到，自感電動勢的尖峰脈沖衰減到零后又改變方向變成一個正向電壓，然后又迅速以振蕩形式衰減至零；這是由于線圈存在相當(dāng)于與線圈并聯(lián)的分布電容，線圈與分布電容產(chǎn)生電磁振蕩所致.振蕩迅速衰減的原因是由于線圈的自身電阻消耗能量和有線圈鐵芯渦流損耗及分布電容介質(zhì)損耗存在.

還可以不斷調(diào)節(jié)電位器R3的阻值，得到不同的三極管的關(guān)斷速度，從而從示波器測到與之對應(yīng)的波形.比較各波形可以知道，三極管的關(guān)斷過程的時間越短，關(guān)斷速度越大，線圈的自感電動勢就越高，波形越陡峭.

2.2 實驗數(shù)據(jù)舉例及分析

圖3 示波器衰減擋1000

圖4 示波器衰減擋100

圖5 示波器衰減擋100

【例3】調(diào)節(jié)R3至最小值，三極管基極電壓波形與IC的3腳的波形一致，為方波;使三極管以最快速度關(guān)斷(僅數(shù)微秒，主要由三極管的特性決定)，線圈的電流變化率最大,自感電動勢也達到最大.從圖6的線圈二端電壓波形圖和圖7的局部波形圖可以看到：

圖6 示波器衰減擋1000

圖7 示波器衰減擋100

(2)線圈中產(chǎn)生的自感電動勢在線圈二端電壓，其峰值為-120 V，僅為例1的2倍多一些，而三極管的關(guān)斷速度是例1的數(shù)百倍.所以在三極管以極快速度關(guān)斷時(小于1 ms)，不能忽略線圈分布電容的并聯(lián)作用，所測得的線圈二端電壓并不等于自感電動勢.

運用電子開關(guān)和示波器能使瞬間即逝的自感現(xiàn)象定格，便于學(xué)生探究斷電自感的規(guī)律和進行定量分析.通過實驗探究第二種斷電自感，使學(xué)生對斷電自感有更全面的認識，包括直接測量出自感電動勢的大小和三極管關(guān)斷過程的時間及研究自感電動勢與斷電速度的關(guān)系.同時還可以讓學(xué)生初步掌握運用示波器探究物理規(guī)律和獲取實驗數(shù)據(jù)的方法.