2024年1月2日 星期二

RC電路分析2

在前一篇我們 了解了如何用電阻電容來控制電晶體通斷路的頻率之後
還有一個重要的伏筆要來聊聊
就是充電時間t1(設計為通路)和放電時間t2(設計為斷路)這兩個之間的微妙關係
t1由電容大小和VR上半部電阻(加上限流電阻)決定
t2由電容大小和VR下半部電阻決定
(其實應該還有電壓,但在這裡先不討論了)
t1+t2則決定了整體電路的週期(頻率)


因此若改變VR中間接腳的位置
就可以改變和t1和t2的時間
我們將頻率放慢到0.5Hz(週期2秒)來看看
為方便觀察
我們將電路設計為通路時亮藍燈,斷路時亮紅燈
在週期不變的情況下
若充電時間(通路)t1=0.2s,放電時間(斷路)t2就會是1-0.2=1.8秒
藍燈亮的時間較短,紅燈亮的時間較長
若反之,充電時間(通路)t1=1.8s,放電時間(斷路)t2就會是1-1.8=0.2秒
藍燈亮的時間較長,紅燈亮的時間較短,
若剛好都是1秒,則藍燈紅燈亮的時間均相同
如下影片


佔空比10%


佔空比90%


佔空比50%


這個概念就是所謂的佔空比(Duty Ratio)
也就是通路(高電位)時間佔整體週期的比率
當佔空比越高,電路相對的整體功率也越高
若頻率調高到數十赫,人眼就幾乎看不到閃爍的過程
感覺上就會是整體亮度的調製
這就是上一篇提到的PWM真正的概念
PWM,Pulse-width modulation,脈衝寬度調制
實務上通常我們會將頻率拉高到數K到數十K
這樣會更接近直流的情況
但也不能無限制拉上去,這部分有機會再說

如下影片
我們將頻率拉到4K左右
就可以當作很平順的調光器或馬達的調速器了



2024年1月1日 星期一

RC電路分析1

為了家電醫生未來可能辦理的電晶體應用班
還是把RC充放電的概念說一下好了
基本原理就是當電源經過電阻對電容充電時
電阻和電容越大,充電時間越久
充電後(通常就是按下開關)就越慢開通(或關閉)電路

當開通電路後,電容又通過電阻慢慢放電
就可以控制開通(或斷路)電路的時間
所以這個通路或斷路的時間就和電阻、電容的大小有絕對的關係
若單純用一個電晶體來演示
會有一個緩慢變亮或變暗的過程(電壓是逐漸改變的)
這樣會干擾判斷通斷路的時間
為了方便說明,我們先設計一個555的PWM電路
這個電路原理有點複雜,以後再說
只要知道以下說明即可



充電時會經過1K的限流電阻和VR上半部電阻充電
充電時LED會保持通路,通路時間t1就由充電時間決定

等電容達到一定電位,LED就會斷路
此時電容通過VR下半部的電阻放電
等電容放電到某個低電位,LED電路又會再導通
所以這個斷路時間t2就由放電時間決定

整個充電t1和放電t2的時間加起來就是LED閃爍的週期t

我們改變電容和電阻(VR實際電阻加上1K的限流電阻)的大小就可以決定電路通斷的頻率
首先要先量測實際的電阻、電容大小




連接好電路後再利用示波器量測頻率



如此,得到了以下的結果(調整t1的時間和t2相同)

我們可以會發現電容、電阻越大,頻率越低(週期越長)
有明顯的負相關
但數據量太少,用趨勢圖分析沒有意義
至於學校很喜歡算的時間常數,還有一推積分式
就...算了吧

2023年12月30日 星期六

RL升壓電路分析

家電醫生的電晶體應用課程最後一定要進入RC和RL電路
RC相對比較容易理解
RL有時就會很燒惱了
最有名的RL電路應該就是Joule thief了
電路圖很簡單,就不再重述
主要是當中升壓用的共模電感發生了甚麼事才是關鍵的問題
共模電感這時候的功能不是拿來抑制電磁干擾
而是將兩個電感頭尾相接,讓電流可以同時流入但方向相反
再將出口分別接在B極和C極
接通電路後,線圈發生了以下的事
直接看筆記,就不再寫了


若從示波器來看就可以更明顯了
電池原本電壓約1.3V


不用環狀鐵芯,隨便繞圈的情況下
BC兩端的電位差約7.9V,頻率1.2MHz
但導通時雜訊還是很多,因此實際頻率保守估計約100k-200k左右



加上環狀鐵芯後可以保留磁場
BC兩端的電位差約25.9V,頻率約100kHz
電位差明顯增加許多,導通時的雜訊也少很多
這樣的圖就很教科書了




藍線是C極的主線圈,橘線是B極的副線圈
peak出現的地方就是線圈感應出高壓的時間
也就是電晶體關閉瞬間
較為平順的位置就是導通的時候
這和普通開關電源用反激式變壓是很類似的
一塊一塊慢慢組合,整體概念就越來越清晰了

2023年12月26日 星期二

元素跑台3

元素跑台的活動已經列為必作的實驗之一了
讓學生實際看到,並進一步去檢驗特性
總是比在黑板上乾講來得好





細節可以參考這兩篇(20192022)
其中很重要的一個伏筆就是鎂、鐵、鋅、鋁的分辨(鉛和鈉相對比較簡單了)
當然有經驗的老師可以從細微的顏色稍稍判斷出來,但還是不夠科學


這次規定只能用物理方法
所以判斷不出來其實也是預期的結果(現實很殘酷啊~~)
鎂可以用燒的(最後還是用了化學方法)
鐵可以用磁鐵吸引
鋅和鋁呢?
還有哪些物理性質可以判斷純物質?
「密度」,有學生回答
是的,這次其實在樣本的選擇就已經作了伏筆
我手邊的鋅和鋁都是1mm厚的規格
鐵是0.5mm,所以事先兩片疊起來
三種金屬都是同樣大小
「老師手邊的這三種金屬都是相同體積,所以我們可以測量重量就可以代表密度之間的比例」
我們先將標準鐵鋅鋁的密度查出來作了相對的比例運算
再秤這三片金屬的重量
同樣算出他們的比例



「很接近耶~~」學生說
「是的,因為我們已經確認了鐵是哪一片,用鐵和未知金屬的重量比例就可以推測是鋅或是鋁了」
「這麼簡單竟然我們沒想到~~」學生驚呼
其實...我以前也沒想到啊!!

2023年12月14日 星期四

人體器官模型玩具




這是教具還是玩具?
應該都可以算是吧~~
老師說動不了,拆開馬上就看到電池盒斷線
原本想說撿到槍了
但哪來那麼多槍好撿







電線也已經都氧化變黑就,也直接換掉
但裝上電池之後還是無法啟動
上方有一個啟動鈕
拆開看,無意外的就是導電橡膠
直接升級換成實體按鍵好了,一勞永逸
不過上方的按鈕要調整一下才能裝進去








再試試,可以用,但總是不靈敏
再檢查發現正極的電池觸片竟然被裝進兩片?
串聯的金屬片也氧化
乾脆全換了




再試試,怎麼莫名其妙又會重開機?
這個電路板的設計有兩個開關
一個是實體的開關,控制主電路
另一個是電子開關,對地閉路才會啟動電路板
莫名其妙會重新開機就是某個觸點對地閉路了
直接對每個接點對負極短接看看
果然在馬達正極的地方對地閉路也會重開機
這個地方有一個電解電容,主要目的應該是讓馬達有穩定的電壓
這個馬達應該是很耗電的,加上整體電路連接音樂片
所以馬達也有連接小電容和電感來吸收突波
才不會影響音樂片的電路
拆掉這個電解電容,果然就正常了~~




很有趣的玩具
身體後面有一個微動開關
如果裝器官時太用力撞到開關就有可能會啟動馬達
馬達帶動曲軸搖晃身體就會讓你前功盡棄
若搖晃得更厲害,頭還會飛出來~~
不錯玩耶!!