筆芯燈泡的串並聯

兩個不同電阻的電阻串、並聯，誰的功率大？

這個問題在以前是必考題

甚至還要算出實際的功率

不過，這種計算在實質上其實沒有太大的意義

因為電阻要發熱到產生亮光

絕對不會遵守歐姆定律，當然也就無法預測

但如果單單只是要看最後的結果(誰比較亮)是可以的

我們利用0.5mm和0.9mm兩種筆芯來當作不同電阻的負載

因為粗細不同，所以很直觀(當然長度是一樣的)

直接看亮度也可以知道現階段誰的功率較大

但這種熱效應的實驗會消耗極大功率

因此電源的選擇就很重要了

一般會直接用12V的鉛電池

但如果一開始就直接上電，筆芯很容易爆

最主要的原因就是內部還有許多蠟和水氣

這些蠟和水氣如果快速加熱

很容易因為瞬間變為氣體，快速膨脹炸斷筆芯

因此要安全地做這個實驗一定要先將蠟和水氣蒸掉

最簡單的方法就是慢慢增加電壓或電流

等到筆芯不再冒出白煙(蠟和水的混合氣體)

這時再提高電壓(或電流)就可以安全地看到筆芯發光

(一個實際經驗的建議，調整電流會比調整電壓來得方便且安全)

如下的裝置

串聯：左邊是0.9mm，右邊是0.5mm

先調整到1-2A左右就可以看到筆芯開始冒煙

等到不再冒煙的時候再拉高電流到3-4A

就可以看到0.5mm的筆芯比0.9mm更亮

並聯：近處是0.9mm，遠處是0.5mm

慢慢調整電流到4-5A

可以觀察到0.9mm的筆芯開始發亮

一開始0.5mm沒有明顯發光

等0.9mm筆芯發光一陣子之後，電阻上升

通過0.5mm的電流增加，這時兩支都會發光了

0.9還是會比0.5亮

但同樣的情況並不會發生在串聯

因為通過兩者的電流永遠會一樣(電流一樣的情況下，不亮就是不亮)

另外，在調整電流的時候也會發現

筆芯剛剛開始亮的時候，電流會突減

這也是一開始說無法用計算的方法算出實際功率的原因

因為這樣的實驗根本不可能符合歐姆定律

直接看到整個過程(亮度和電流變化)真的很過癮啊~~

電動勢、端電壓、電位差、壓降的實驗

前一篇說明了電動勢、端電壓、電位差、壓降的意義

接下來我們選了兩種不同的電源來實驗

一個是24W的交換式電源

另一個是5C的18650的鋰電池，最大功率約有100W

兩個都用BUCK來調整電壓

照片左端的電表呈現電源的電動勢

右端則是負載的電位差

在開路的時候負載的電壓略低於電源的電動勢

這應該是合理的，畢竟多加了一個電表也是負載

所以我們會以右側電表的電壓當作開路電壓來比較

負載的部分用了五種功率電阻，從3.9歐到220.1歐

分別接上不同負載之後紀錄負載的電位差和電流

結果如下

POWER1：交換式電源

POWER2：18650鋰電

實驗記錄

基本上電流在0.2A以上時，計算出來的電阻和實測非常接近

但電流一掉下來之後就不準了

這和我的電表極限有關

這組電表的電流是10A無段

因此在低電流的時候誤差就比較大，出來會比較不準是可以理解的

觀察電壓才是重點

在第一組交換式電源可以明顯發現當負載電阻越小的時候

壓降也會比較大

但利用18650的電源，壓降就明顯小了許多

到220歐的電阻幾乎就完全沒有壓降的問題了

這個壓降和電源的設計與功率有絕對的關係

一般來說，電源功率越大或內部元件設計越仔細

通常內阻也會越小，壓降就越不明顯

因此如果實驗用的電源品質越好，或負載的電阻較大

量測出來的電動勢(開路電壓)就可以直接代表負載的電位差

也就比較符合課本闡述的理想狀況

對初學者來說可以呈現出這樣的情況是最好的

這就要老師在設計實驗的時候多加注意了

電動勢、端電壓、電位差、壓降的意義

上一篇講到科學解釋的迷思與誤用

提到端電壓與電位差的概念

其實這個名詞之前就說過許多次

但一直沒有認真說

有朋友問起，就依我認知的跟大家聊聊

(我不是教授，以下如有錯誤概不負責，請自行查驗)

國高中只提到電壓( Voltage )這個名詞

但實際上在真實世界卻有許多不同的稱呼(單位都是伏特)

首先，電源會提供一個電壓

在沒有負載或負載極小的情況下我們測量出來的就叫做電動勢（electromotive force，EMF，經常稱為ε )

在電子學裡也常稱為開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）

也就是這個電源理論上「單位電量可以作的功」

但真實的電源並非完全沒有阻抗( impedance )

這個電源若是化學電池

阻抗的來源可能是化學反應產生的氣體或其他副反應的干擾或封裝不良或反應速率改變等等複合的原因

若是線性電源或是交換式電源

阻抗可能是內部電感或電容產生的電抗( reactance )或線路本身的電阻 (resistance）等等綜合的因素

這些電源內部的阻抗我們通常就稱為內阻（internal resistance）

所以內阻理論上也不會是一個定值

通常要產生電流之後內阻才會出現

因此當電源接上負載產生電流之後

這個內阻就會消耗一部份電壓

使得電源實際輸出的電壓會下降

這個真實輸出的電壓通常就稱為端電壓( terminal voltage )

當我們直接用電表測量電源輸出電壓時

因為負載電流極小，因此這時候量出來的端電壓「幾乎」就是開路電壓

也就是電源的電動勢

可是我們將電源接上負載之後，在線路中產生了電流

通常我們都會直接認知電源的電動勢(開路電壓)就是負載兩端電位差（electric potential difference）

但實際上我們已經知道電源有阻抗

其實線路也會有一定程度的電阻

這些因素都會消耗掉電源的電動勢

因此實際到負載時，電位差就會小於理想中的電源電動勢

這個電壓差值就是所謂的壓降( voltage drop )

所以壓降基本上不會是定值，和電流大小、電源內阻、線路電阻都有絕對的關係

所以若電源單純只接一個負載

在計算歐姆定律的時候我們所使用的V應該是負載兩端的電位差

而不是電源的電動勢

那甚麼時候電動勢(電源的開路電壓)可以直接拿來用？

下一篇再直接實驗來說明好了

科學解釋的迷思與誤用

資訊的發達讓很多訊息的傳遞更加方便

當然也讓自學的可能性大幅提高

我的電子學基本上就是從網路自學來的

但也在這些自學與摸索的過程當中發現了許多可怕的問題

那就是打著科學之名與科學名稱的胡亂解釋

之前就說過這部YT上有關電學常識的錯誤

除非有基礎的科學知識和實驗的過程

否則很容易就會接收了錯誤的訊息

可怕的是...你還相信了

更讓人家痛心的是，學生寧願相信YT(或網路影片)卻不相信學校老師！？

也許這也是老師要檢討的地方吧

再看看FB推薦給我的這部影片

基本上九成都是簡體字

先說明，不是簡體字的影片都有問題

對岸也有很棒的影片與教學，純粹是製作影片的人的問題

短短一句話就錯了兩個重要的概念

電力傳輸利用高壓低流，怎麼會是歐姆定律的概念？

若真要用歐姆定律來解釋

高壓傳輸反而是大電流耶~~

(這件事真要細說也不是一句話，還要理解V指的是端電壓還是電位差，就不在這裡說明了，高手也請放過)

再者，低電流可以減少線路上的電感耗損？

完全就是搞不清楚電感的意義

電感在物理上是指導體(線圈)儲存磁場的能力

當電流通過導體時，會在其周圍產生磁場

而電流有變化時，電感會抗拒電流的變化導致磁場的變化

而磁場的變化又會在導體中感應出電動勢

因此電感的數學意義可以表示為電流有1 安培/秒的變化時，所產生的感應電動勢

L = -ε / (dI/dt)

上面所描述的「減少線路上的...耗損」，其實就是減少電能的耗損，P = IV

和電感是無關的

沒有電流變化就不會有感值

自學，還是要有基本知識的

交流電線控車

之前為了玩具醫生培訓課程設計了風力線控車

再來看看另一種用交流電的有趣設計

基本上輸入直流馬達的電流方向不同就可以讓馬達正轉或反轉

因次若電源是交流電

就可以利用二極體來控制電流方向

是的，就這麼簡單

控制板做好像這樣

驅動馬達要用減速馬達扭力才夠

裝好像這樣

影片如下

更換LED燈管

家裡日光燈黑頭了

結果現在竟然已經買不到四尺長的日光燈

五金行全部都改成LED燈管了

很多學校的水電師傅都會跟你說燈座可以不用換

只要拔掉啟動器就可以直接裝了

是這樣嗎？

先看看歐司朗怎麼跟你說的

「...不適用於帶傳統電感鎮流器和電子鎮流器燈具使用」

「禁止在沒有去除電子鎮流器的傳統T8燈具中直接替換傳統T8光源使用」

這件事其實大家都只說了一半

首先要先從原理開始說起

詳細實驗和說明可以參考這篇

日光燈啟動時還是需要點亮燈絲

所以可以看到兩頭會先發光

因為燈絲兩端的高壓使得游離電子順向漂移

此時阻抗下降讓整支燈管導通

導通之後電流瞬間會拉高

這時串接在電路中的電感(安定器，鎮流器)就會因電流瞬間變大產生感抗

這個感抗就會阻止電路中突然產生的大電流

不然這個大電流可能會爆掉燈管的

燈管內部汞蒸氣電子也因為導通的電場被激發

電子回到基態時會釋放出紫外光

紫外光再被燈管內壁的螢光粉吸收放出可見光

這就是日光燈呈現出來的光線了

所以燈絲通電的目的只是要預先加熱內部的汞蒸氣

待游離電子能量夠之後就可以斷電

這個裝置就是氖燈啟動器

所以燈亮後拆掉是不會有影響的

換句話說，也可以手動用開關啟動

電路圖如下

因此若沒有拔掉啟動器就直接裝上LED燈管是會短路的!!

(LED燈管同一端的接點是相接的)

一定要拔掉啟動器，非常重要

但是否要拔掉安定器(鎮流器)呢？

換上LED燈管後並不會像原本日光燈在啟動時產生大電流的波動

因此傳統安定器(就是一個大線圈)不會發揮電感的功能

只是一組金屬電阻而已

實際測量約有18歐的電阻

這個電阻就會消耗電路中的電能

但是否會影響LED燈管的工作呢？

理論上通常也不會，因為LED燈管內部還有整流變壓器

這個整流變壓器通常都是用交換式電源

大部分也都會設計為國際電壓

有電壓反饋，不管輸入電壓是多少，輸出都會是穩定的

因此在不拔掉傳統安定器的情況下直接裝LED燈管

這個安定器只會發熱浪費電能，LED燈管確實還是可以正常運作

但如果是電子安定器就一定要拆除了

否則LED燈管會無法工作

那實際上應該怎麼做？

當然最好就是越過安定器(不管是傳統或是電子)

只要將原本進入安定器的兩條電線接在一起就可以了

這樣才是標準做法

維修熱顯像儀

這個熱顯像儀已經被我修過無數次

在維修找短路元件時很好用

從最早為他量身設計的轉接頭

後續又更換了電池

換手機之後再弄了一個type C轉接

最近電又充不進去了

必須插個充電頭才能開機

但充電的micro usb母座似乎又有點接觸不良

轉接頭也讓熱顯像儀很不牢靠

乾脆整個大改造好了

先在轉接處加強，避免不小心撞到就毀了

開機的部分如果要插上充電線會很不方便

直接配一個電源給他，6V是可以的

也方便換電池

不常用，其實也不需要用到鋰電

插座已經不能用了

直接從內部的電路找到充電正負極的等位點

從等位點拉出正負極連接在電池座即可

整個做好像這樣

插在手機上就穩定多了