用电子开关和示波器探究断电自感

杨小平 黄钊凤

(平南县中学 广西 平南 537300)

断电自感分为二种情况：第一种是电感线圈二端并联有电阻(如小灯泡)，开关可视为理想开关，断电后线圈的自感电流流经并联电阻且按指数规律衰减;线圈的电流的变化率主要取决于并联电阻的大小.因线圈本身的电阻不能忽略，所以自感电动势并不等于线圈二端电压.杂志上常有文章讨论这种断电自感实验.第二种是电感线圈二端无并联电阻，线圈电流的变化率主要取决于开关断开过程的接触电阻的变化率，线圈的自感电流与电源构成回路，电流的衰减规律较为复杂.在开关断电速度不是极高的条件下，可以忽略线圈本身的电阻和分布电容的影响，所以可认为自感电动势等于线圈二端电压.日光灯的起辉过程和日常用电器发生的断电自感现象都属第二种情况.本文介绍用可调关断速度的电子开关和示波器探究第二种断电自感现象.

1 机械开关的断电过程和电子开关工作原理

1.1 机械开关的断电过程

实际的机械开关在断电时并不是瞬间断开，而是存在接触电阻逐渐增大的过程.具体断电过程是开关的动触头和静触头的接触压力越来越小，触头间的接触电阻就越来越大.当触头即将分离至刚分离时，接触处表面的金属熔化，形成金属滴桥.触头进一步分离，金属滴桥被拉断，动静触头间形成电弧.当二触头的距离增大到一定程度后电弧被拉断，这个过程中触头的接触电阻从很小变至无穷大，完成断开过程.由此看出，机械开关的断电过程很复杂，断电速度不可控，不利于探究自感现象.

1.2 电子开关的工作原理

图1是用工作频率约为100 Hz的电子开关探究断电自感的实验电路.时基集成电路IC与电阻R1、R2及电容C1组成方波信号发生器，方波信号从IC 的3脚输出，周期10 ms.电位器R3、R4、电阻R5、电容C2、二极管D和三极管Q组成可调关断速度(时间)的电子开关.调节R3可调节三极管的关断过程的时间.显然，三极管的关断过程就是c-e结电阻越来越大的过程.L为被测电感线圈，采用10 W左右的小型电源变压器的初级线圈，直流电阻几百到1 000 Ω .示波器的信号输入端与线圈L二端连接.Q采用小功率高反压三极管，型号如13001.时基集成电路IC的型号为NE555.

图1

接通电源，IC的3脚输出方波信号，IC的3脚输出高电平时，C2被迅速充电，A点电位迅速上升，Q导通，线圈L二端电压等于电源电压.IC的3脚输出低电平时，C2分二路经相关元件对地放电，A点电位逐渐下降，当Q从饱和区进入放大区时，Q开始逐渐关断，线圈同时产生断电自感电动势.调节R3可调节C2的放电时间，亦即调节A点电位的下降速度，从而可调节Q的关断速度.如果把R3调至最小，C2经IC的3脚对地迅速放电，Q迅速关断；如果把R3调至最大，A点电位的下降速度最慢，Q关断过程的时间最长.R4用于调节Q的基极电流，使得三极管Q在IC的3脚从高电平跳变为低电平时马上进入放大区，调节R4时观察线圈L的电压波形，使L的电压波形的高电平段宽度最短，即等于方波信号的高电平的宽度(5.6 ms).此时Q的基极电流最佳.

2 实验探究

2.1 自感电动势的波形及相关因素分析

由图1，调节电位器R3在某一值，使三极管处于某一关断速度，示波器测得线圈的二端电压波形如图2的下图所示.此时三极管的关断过程所用时间用下面方法确定：用一个5 kΩ左右的电阻替换线圈L，示波器测得此电阻二端电压波形如图2的上图所示，从此电阻的电压波形看出，高低电平之间的弧线段就是三极管关断过程的时间.

图2

从图2看出，线圈的自感电动势是一反向尖峰脉冲，其底部(零电压处)宽度基本等于三极管关断过程所用时间.所以可以把自感电动势反向尖峰脉冲底部宽度看作三极管关断过程所用时间，但条件是脉冲底宽必须达到毫秒级，从而可忽略线圈分布电容的影响.从图2还可以看到，自感电动势的尖峰脉冲衰减到零后又改变方向变成一个正向电压，然后又迅速以振荡形式衰减至零；这是由于线圈存在相当于与线圈并联的分布电容，线圈与分布电容产生电磁振荡所致.振荡迅速衰减的原因是由于线圈的自身电阻消耗能量和有线圈铁芯涡流损耗及分布电容介质损耗存在.

还可以不断调节电位器R3的阻值，得到不同的三极管的关断速度，从而从示波器测到与之对应的波形.比较各波形可以知道，三极管的关断过程的时间越短，关断速度越大，线圈的自感电动势就越高，波形越陡峭.

2.2 实验数据举例及分析

图3 示波器衰减挡1000

图4 示波器衰减挡100

图5 示波器衰减挡100

【例3】调节R3至最小值，三极管基极电压波形与IC的3脚的波形一致，为方波;使三极管以最快速度关断(仅数微秒，主要由三极管的特性决定)，线圈的电流变化率最大,自感电动势也达到最大.从图6的线圈二端电压波形图和图7的局部波形图可以看到：

图6 示波器衰减挡1000

图7 示波器衰减挡100

(2)线圈中产生的自感电动势在线圈二端电压，其峰值为-120 V，仅为例1的2倍多一些，而三极管的关断速度是例1的数百倍.所以在三极管以极快速度关断时(小于1 ms)，不能忽略线圈分布电容的并联作用，所测得的线圈二端电压并不等于自感电动势.

运用电子开关和示波器能使瞬间即逝的自感现象定格，便于学生探究断电自感的规律和进行定量分析.通过实验探究第二种断电自感，使学生对断电自感有更全面的认识，包括直接测量出自感电动势的大小和三极管关断过程的时间及研究自感电动势与断电速度的关系.同时还可以让学生初步掌握运用示波器探究物理规律和获取实验数据的方法.