TRIAC電器輕觸開關

TRIAC是現在家電很常見的電子開關

只要用一個小按鍵就可以控制大功率的家電

有關TRIAC的介紹可以看這篇

電路的設計其實也很簡單

但為了要單鍵觸發後繼續保持通路狀態

TRIAC之前的觸發電路要用FET，不能用電晶體

FET內部有一個寄生電容

只要電容有電，就能讓內部的G極產生電場

拉動DS極的電子移動

這個電容的絕緣很好，放電效率低

所以可以保持DS的通路

將G接地，電容放電就會截止導通

這樣的特性和TRIAC結合就可以當作電器的單觸開關了

很實用的電路

但要小心不要碰FET的G極

市電的L會經過TRIAC擊穿FET

也會有觸電的危險

電路圖如下

影片

真空管教具

現在要看到真空管除非高級音響

不然幾乎絕跡了~~

真空管最早是愛迪生發現加熱的燈絲會在真空中導電

後來稱為愛迪生效應（Edison effect）

之後弗萊明發揚光大，也就是後來大名鼎鼎的陰極射線管

目前看到的真空管幾乎都是二戰時期開發出來的

當時主要是通訊的功能

手邊的這隻6E5真空管是toshiba做的，60年了~~

查到的datasheet都還是打字機的版本

基本上就是利用一條燈絲加熱金屬板

在金屬板加上360V左右的高壓直流電引導熱電子

就可以讓兩片隔空的金屬板導通

這不稀奇

厲害的是在兩片金屬板中間加上另一個電場(Grid)來控制兩端金屬片的電動勢

就可以控制電子流的大小了

所以整個電路裝置需要有三個電源

1. 加熱燈絲的低壓，約6V

2. 引導電子的直流高壓，約360V

3. 控制電動勢大小的直流負壓，約-10V

原本內部的線路圖要先查出來才會安全

不然被360V電到不是開玩笑的

好像找不到有控制pin3柵極(Grid)的低壓端，直接接地

如下

原本的電容耐壓只有300V，但容值幾乎沒有衰退

真是厲害啊~~

不過安全起見還是換成450V的，但絕對撐不了60年

開關也壞了，換

500K的VR也壞，換

電線也要換

怕死，所以還是裝上一條1A的保險絲

弄好後終於要上電了

調整引導的電壓

可以看到上方螢光電極產生的亮度也會改變

如果真是電子束，應該會受到磁場影響

果然~~

N極或S極靠近，電子束旋轉的方向也會不同

影片如下

有趣的教具啊~~

但暫時不知道能幹嘛...

過壓自動斷電

前一陣子有社團一直在討論台電春節電壓會過高的問題

負載變小，端電壓上升是必然的

理論上台電會控制在誤差5-10%以內

也就是說最高電壓會在120V以下

大家就相信台電吧!!??

如果真的有高級電器無法撐到130V

那就設計一個過壓自動斷電的電路來保護

電路圖如下

基本上就是借用開關電源常用的TL431當作標準參考電壓

再將市電整流後分壓1/20輸入比較器的非反向輸入端

當市電超過參考電壓，OPA就會輸出

上面的電路圖參考電壓忘記考慮整流後會增加1.414倍

所以若市電上升到130V

整流後的直流電應該是184V

所以參考電壓應該提高到184/20=9.2

不過這都可以自己設定，不影響實驗結果

就用6.5V來比較就好

我無法控制市電電壓

因此以下的實驗是外接一個可調電源假裝分壓後的市電端

電壓超過130V，OPA輸出電流再用FET放大就可以控制繼電器

當然同時也並聯一個LED指示燈方便觀察

繼電器在正常電壓時會通路

當電壓上升到130V

OPA輸出訊號，繼電器就會斷路

但如果假設一種特殊情況

電壓在130上下飄動，繼電器就會不斷開啟關閉

這樣對電器更傷

所以設計為一旦電壓超130V，電器斷電

即使這時候電壓回到正常狀態

電器仍然不會自動開啟

必須按下reset鍵才能再啟動

這樣就能保證安全了

影片如下

奇怪的電路_LED篇

之前有燈泡篇(問題、解答)

現在是LED篇

解答

開關電源的正激與反激

之前模擬過開關電源的電路

在一次側的地方通過變壓器的電流是一開一關來產生磁通量的變化

當一次側電流通路時

二次側會因為電磁感應產生一個相同方向的感應電動勢

這時變壓器的功能就像是傳統線性變壓一樣

因此感應出來的電壓受頻率影響較小

主要還是線圈數的比例來控制(頻率還是有影響的喔)

因此電壓較穩定

通常會在二次側加上一組電感來對電容充電

這樣在一次側斷電時還可以持續有電流出輸出

我們連接一次側的導通時的電壓變化

就會發現起伏的幅度不大(示波器為10倍探針，以下皆是)

但如果在一次側斷電時

二次側會比較像是一個電感的狀態

因為一次側瞬間的電流消失

使得二次側釋放(不是感應)出電動勢

這個電動勢的電壓就會很高，變化幅度較大

示波器也同樣顯現出這樣的結果

因此如果用反激式，其實變壓器是可以直接就換成一個電感就好

實際上一般的行動電源從3.7V升壓到5V就是這麼做的

我手邊沒有合適的電感

用防EMI的鐵芯隨便繞了一個

感值實測約0.1mH

將變壓器換成電感

出來的效果幾乎和變壓器一樣

但因為繞得很爛，感值會飄

所以調整頻率也沒有辦法改變太多電壓

但意思到了~~

那開關電源為什麼不這麼作？

主要原因還是安全問題

用變壓器可以隔離高低壓端

讓使用的時候不會有感電的危險

安全還是最重要的~~

NTC能阻止多少電流？

上一篇說到NTC的工作原理與用途

留下了兩個問題

1.為什麼白熾燈泡開機時會有瞬間大電流？

2.為什麼示波器在沒有串NTC時看到的波形卻又是穩定的，不是有瞬間大電流嗎？

第一題其實是在喇賽，我想很多理化老師基本上連回答的意願都沒有...

可以參考這篇的教學紀錄

那既然白熾燈泡也會有開機大電流

怎麼偵測呢？

這要從示波器的設計開始說起了

示波器基本上就是一台讀取速度極快的伏特計

並且將電壓變化直接轉換成圖形

雖然白熾燈泡因為冷鎢絲的低電阻產生大電流

但基本上還是比電線的電阻要大上許多

所以還是會吃掉全部的電壓

示波器上就會是穩定極大值160V左右的正弦波

(為什麼不是115V？請看這篇)

若要看出電流的變化就要先將主電流分流

分流的原理可以看這篇

分流的目的是因為電錶需要電流

因此若通過的電流越大，並聯的分流電阻就越小

這個分流電阻需要承受功率，阻值又小

實在不好找

加上示波器只能測量電壓

因此決定用取樣的方法來處理

甚麼叫做取樣？

簡單來說就是在電路中串聯一段小電阻(通常都在1歐以下，避免影響原電器功率)

如果通過的電流越大，小電阻兩端的電位差也會越大

我們用這個電位差就能換算出電路中的實際電流了

這顆電阻從功能上來說就叫做取樣電阻

我用了兩個1歐2W的電阻並聯

實測電阻約0.7歐

    

在電阻兩端接上示波器和電錶

測量瞬間的電壓變化和穩定時的電位差

結果如下

100W燈泡沒有接NTC

    

100W燈泡接NTC

250W燈泡沒有接NTC

250W燈泡接NTC

實測100W燈泡的功率和電流電壓

實測250W燈泡的功率和電流電壓

數據都有了，再來就是分析了

100W的燈泡電流約0.84A

取樣電阻0.7歐，兩端電壓0.633V

換算電流約0.9A

250W的燈泡電流約2.06A

取樣電阻0.7歐，兩端電壓1.556V

換算電流約2.22A

若反過來從電壓電流來換算取樣電阻的大小

100W換算出來約0.75歐

250W換算出來約0.76歐

這樣的結果表示取樣電阻的測量是有準確度的

但因為我無法精準量到取樣電阻的大小(電表精準度只有0.1歐)

因此換算出來感覺上有落差

這不是實驗裝置的問題

而是電表歐姆檔準確度的問題

實驗裝置是可信的

以下我們就將取樣電阻用0.755歐來換算

再來看看100W的瞬間開機電壓衝到8.05V

也就是瞬間電流有10.7A

加上NTC，開機電壓降到5.03V

電流降到約6.7A，降幅約37%

250W開機電壓有17.92V

開機電流約23.7A

加上NTC電壓降到11.27V

電流降至約14.9A，降幅約37%

兩者的降幅幾乎是一樣的

看到這種實驗結果真的是讓人起雞皮疙瘩啊~~