諧振式直交流電轉換系統

張友華

(松陵第一中學，江蘇 蘇州 215200)

1 引 言

交流電經過二極管整流就會成為直流電，可要把直流電變為交流電就不是很簡單了. 傳統的做法是使用“逆變電路”(例如計算機的 UPS電源即此種電路 )，電路復雜，技術難度大，成本高，一般業余條件下難以做到. 為滿足實際教學的需要，制作了諧振式直交流電轉換系統. 利用加入電位器、閃光器、單擺(可利用機械擺鐘)、變壓器、發光二極管、蜂鳴器、電壓表、開關等制作成簡易電路，成功地使直流電變為交流電，利用示波器對直交流電波形進行直觀形象的觀察，作為物理實驗教具效果明顯.

2 諧振式直交流電轉換系統的結構

諧振式直交流電轉換系統是利用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構，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，以便對電路的實際布置進行清晰地觀察.

諧振式直交流電轉換系統分別基于電位器、閃光器和單擺3種方式進行直交流轉換.

3 諧振式直交流電轉換系統的原理與方法

1)基于電位器的直交流轉換原理

如圖1所示為基于電位器直交流轉換的電路圖. P為常用的三腳電位器(相當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動，可以觀察到電壓表的示數也呈現周期性變化. 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1.5 V干電池，實驗時先將電位器的旋鈕置于電壓零點位置，閉合開關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，觀察到電壓表的指針向右偏轉，電壓表的示數逐漸增加；接著再將電位器旋鈕逆時針旋轉，指針逐步回到零刻度，繼而向左偏轉，電壓表的示數增大. 電位器的旋鈕往復轉動，電壓表的指針左右擺動，說明此時電路間輸出強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的快慢變化而變化.

完成上述實驗后再用示波器觀察上述交流電的波形. 關于上述實驗，作以下幾點說明：

在圖1中，電位器的旋鈕置于電壓零點位置時，電路間輸出的電壓為零. 說明如下：設每節干電池電動勢均為E，內阻均為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，電位器的旋鈕往復轉動時電路間的電壓就是強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等電勢(上面已證明)，旋鈕順時針轉動時,因此電位器零點左邊各點的電勢就高于零點的電勢，而變阻器中點右邊各點的電勢就低于零點的電勢，且此電勢差隨著距零點的距離增大而增大，旋鈕逆時針轉動時道理相同. 這樣電位器的旋鈕左右往復轉動時電路間就輸出了交流電.

2)基于閃光器的直交流轉換

圖2為基于閃光器的直交流轉換電路圖. 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生變化,變壓器另一次級線圈的磁通量隨之發生變化， 次級線圈中會產生感應電動勢. 若當 S接通時流過的感應電流方向為從上到下,當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律地進行，可以觀察到電壓表的示數也呈現周期性變化，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換電路圖

3)基于單擺方式的直交流轉換

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動可以觀察到電壓表的示數也呈現周期性變化. 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換電路圖

至于單擺在水中擺動，阻尼太大，很難實現持續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，因為，擺在擺動的過程中實際上就是重力勢能和動能的不斷轉化，而重力勢能和動能主要取決于擺球的質量. 其次，在鐵球下焊接了一個傳統中醫針炙用的非常細的銀針，實際上單擺在擺動過程中與水接觸，在水中不斷地往復劃過的是這個很細的銀針，因為這樣的設計使得單擺在擺動的過程中阻尼大大的減小，從而使實驗獲得成功.

實驗時先將單擺靜止置于平衡位置，閉合開關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，電壓表的示數逐漸增加；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，電壓表的示數增大. 單擺往復擺動，電壓表的指針左右擺動，說明此時電路間輸出強弱和方向周期性變化的交流電，并且變化規律完全與簡諧運動的變化規律等同. 完成上述實驗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動的圖像問題. 關于上述實驗的原理與基于電位器的直交流轉換同理. 實際實驗時可用機械鐘擺進行實驗以期得到穩定而又持續的交流電.

4 結束語

諧振式直交流電轉換系統具有很強的直觀性，能通過示波器將直流電交流電的波形直觀形

象地呈現出來. 該系統能滿足于現有學校物理實

驗教學，實驗效果好，能完成所涉的中學物理電學實驗，功能性強、拓展性強.