01?天體搖擺儀

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在?天體搖擺儀的工作原理?中介紹了在視頻?神奇的天體搖擺儀?中內(nèi)部的電路，但是對于該電路工作的原理還存在一定的疑問。心里想著通過示波器測量對應(yīng)各點的電壓信號來進一步了解和確認(rèn)它的工作原理。

實在忍不住好奇心，于是就購買一個。這不，下面就是一臺從淘寶購買到的搖擺天梯儀底座拆開之后，顯露其中的構(gòu)造和電路。其中位于底盤中間部分是電磁鐵。

▲ 搖擺天梯儀的內(nèi)部電路

電磁鐵直接焊接在底部的驅(qū)動電路板上。電路板非常簡捷，與?視頻神奇的搖擺天梯儀?中的電路相比，只是在線圈L1，或者是三極管b-e之間并聯(lián)了一個104（100k）電阻。

▲ 電磁鐵及其驅(qū)動電路板

02?電路參數(shù)

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根據(jù)電路板，可以獲得電路原理圖，如下所示圖：

▲ 電路板的原理圖

通過萬用表，LCR以及示波器可以測量電路中各元器件的相關(guān)參數(shù)。

1.電磁鐵參數(shù)

（1）電阻、電感

• 繞組L1的電阻：R1=2.501kΩ，

  ? ?電感：L1=740.1mH

• 繞組L2的電阻：R2=24.78Ω

? ? ? ? ? 電感：L2=17.39mH

注：上述測量結(jié)果是將三極管T，電阻R1焊下之后，測量的結(jié)果。如果三極管沒有焊接，測量電感L1，L2則產(chǎn)生很大的誤差。（L1=4.964mH，L2=10.73mH）。

• 電感L1的時間常數(shù)：T1=0.296ms。

• 電感L2的時間常數(shù)：T2= 0.702ms。

（2）電感同銘端

使用手持LCR表直接測量L1\L2串聯(lián)兩端的電感，電感值為890mH左右，比起L1,L2各自的電感值都大，這說明電路上兩個電感線圈的繞向是相同的。

下面是通過對電磁鐵線圈L2兩端（（2）端口）施加1kHz的正弦波激勵，然后在L1兩端（（3）端口）測量的電壓波形。可以驗證它們是同相的，這也證明了L1,L2的同銘端的位置。

▲ 測量電感兩端電壓波形

使用萬用表交流檔測量上述兩個波形的電壓如下：

• V1 = 0.275V

• V2 = 1.788V

這兩個電壓的比值為：6.502。那么L1，L2的匝數(shù)之比為：5.502:1。

2.三極管參數(shù)

將三極管使用?烙鐵?取下，利用?三極管參數(shù)測試模塊?測量獲得三極管是NPN型的三極管。在發(fā)射極電流為2mA的情況下，三極管的電流放大倍數(shù)和b-e間的電壓分別是：318， 0.561V。

3.對外引出線

為了便于測量天體搖擺儀工作時電路各點的波形，通過四芯電纜將電路中的四個節(jié)點引出到底座外面，四個線的定義如下圖所示：

4.永磁鐵參數(shù)

使用TD8620測量天體搖擺框架下面的永磁鐵的磁場參數(shù)：

• 磁場表面磁鐵N極；

• 磁場感應(yīng)強度：邊緣108mT，中心80mT。

▲ 搖擺框架下面的永磁鐵參數(shù)

5.電磁鐵的磁場

在電磁鐵的L2（2-1之間）施加+6V，測量在底座中心所產(chǎn)生的磁場強度。

▲ 測量電磁鐵在底座上產(chǎn)生的磁場

可以看到如果電路板上的三極管導(dǎo)通，在電磁鐵L2上施加正向電壓，所產(chǎn)生的磁場是N極朝外，對于搖擺儀上的永磁鐵是產(chǎn)生推力。

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03?電路波形

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1.電磁鐵感應(yīng)電壓波形

在搖擺儀電路不通電的情況下，擺動磁鐵框架，測量電路(2),(3)處相對于(1)的波形。

▲ 擺動磁鐵，測量L1,L2感應(yīng)電壓波形

相對于地線（電路圖中（1）的位置），三極管的發(fā)射極（電路中（2）的位置）和基極（電路中（3）的位置）的波形如下圖所示：

（1）波形幅度

通過示波器讀取兩個信號的波形峰值：0.28V， 2.5V.

▲ L1L2感應(yīng)電壓波形

從上述測量結(jié)果可以看到，對應(yīng)的電壓比值為：8.93
這個數(shù)值與前面通過正弦波激勵所測量的感應(yīng)電壓比值偏大了。

猜測這個差值是由于線圈本身的分布電容存在，引起在1kHz下測量電壓的變化。關(guān)于這個原因有待進一步測量確認(rèn)。

（2）波形極性

根據(jù)前面2-4， 2-5中測量磁鐵的極性，電磁鐵施加正向電壓時的極性可以知道，當(dāng)永磁鐵靠近電磁鐵時，增加的磁通量所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是“負(fù)”的，這樣如果電磁鐵外部兩端是相連的話，感應(yīng)電動勢引起的線圈電流所產(chǎn)生的磁場正好與永磁鐵所產(chǎn)生磁場抵消，這符合?Lenz’s Law?(楞次定理)。

▲ Lenz's Law

同樣可以分析，當(dāng)N極永磁鐵遠離底座上的電磁鐵時，電磁鐵感應(yīng)電動勢為“正”。所產(chǎn)生的感應(yīng)電流

2.加電后電壓波形

通過直流電源，在電路中 （4）-（1）之間施加6V直流電壓。模擬底座內(nèi)使用4節(jié)5號堿性電池（總電壓6V）的工作狀態(tài)，下面是測量得到三極管的發(fā)射極【e:對應(yīng)電路中的（2），示波器中的藍色】和基極【b:對應(yīng)電路中的（3），示波器中的青色】。

▲ 發(fā)射極（藍色），基極（青色）電壓波形

上述波形，有的特性在意料之中，也有在意料之外的部分。

首先，當(dāng)永磁鐵靠近底座電磁鐵時，由于L1,L2上的感應(yīng)電動勢為負(fù)，所以，三極管不導(dǎo)通。

當(dāng)永磁鐵遠離底座電磁鐵，L1所產(chǎn)生的正向電動勢驅(qū)動三極管導(dǎo)通，導(dǎo)通后流過發(fā)射極（e）的電流經(jīng)過L2。此時電磁鐵相當(dāng)于一個自耦變壓器，感應(yīng)的電動勢增強了L1的電壓，這個正反饋使得三極管迅速正向飽和。

三極管導(dǎo)通過程在意料之中。那么為什么后面會出現(xiàn)若干次截止振蕩過程呢？

▲ 發(fā)射極（藍色），基極（青色）電壓波形

下面是直接測了三極管b-e之間的電壓，可以顯示出，三極管在永磁鐵運動過程中前期的反向感應(yīng)電動勢，以及后期導(dǎo)通震蕩的過程。

通過波形可以看到，三級管在導(dǎo)通之后幾個毫秒內(nèi)就馬上進入了一次截止過程。根據(jù)2-1-1測量的L2的電感，電阻所獲得的時間常數(shù) 0.702ms ，這說明L2在大約幾個時間常數(shù)之后，電流趨于穩(wěn)定，因此，就不會貢獻磁場增量，進而L1中由L2所貢獻的正反饋電壓消失。所以，三極管重新退回到放大狀態(tài)。

一旦三極管由飽和狀態(tài)退回到放大狀態(tài)，首先會引起L2上的電壓下降，進而造成L2電流減少。然后在通過L2-L1之間的電感耦合，形成正反饋，使得三極管迅速轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。

▲ 三極管b-e之間的電壓

三極管截止了，但是電磁鐵中的磁通量不能夠發(fā)生突變，進而會在L1，L2上產(chǎn)生很大的“負(fù)”極性電壓。這個負(fù)電壓由L1施加在三極管的b-e之間，導(dǎo)致三極管b-e極反向擊穿，從而完成L1中的電流流動。從上圖可以看到，三極管的b-e反向擊穿電壓大約在?-16V左右。

在b-e反向擊穿電壓的作用下，L1中的電流迅速降低到0，后面L1中的磁場變化又恢復(fù)到有充磁鐵的運動做主導(dǎo)，所產(chǎn)生的正向感應(yīng)電動勢重新時三極管從截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通。上面的過程再進行重復(fù)。

這個重復(fù)過程直到充磁鐵遠離底座，不再產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動勢使得三極管導(dǎo)通，便停止了。

下圖顯示了三極管發(fā)射極（e）對地之間的電壓變化，其中包括有三極管導(dǎo)通時L2上施加的電源電壓（大約6V），三極管截止時，L2中出現(xiàn)的反向感應(yīng)電動勢。由于L1，L2之間存在著一定的漏感，所以可以看到L2上所產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動勢前期有很大的尖脈沖。

▲ 三極管e-GND之間的波形

04?工作原理

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通過上面分析可以看到，上面的天體搖擺儀在運動過程中，電磁鐵所產(chǎn)生的磁場是在永磁鐵遠離底座的時候?qū)Τ浯盆F提供了推力，進而將電池所提供的電能部分轉(zhuǎn)換成了永磁鐵的運動動能。

在這個過程中，電池的能量一部分轉(zhuǎn)換成了電磁鐵中的磁場能量，通過三極管在截止的過程中釋放在三極管b-e反向?qū)ㄟ^程中。

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電單車