谐振式直交流电转换系统

张友华

(松陵第一中学，江苏 苏州 215200)

1 引 言

交流电经过二极管整流就会成为直流电，可要把直流电变为交流电就不是很简单了. 传统的做法是使用“逆变电路”(例如计算机的 UPS电源即此种电路 )，电路复杂，技术难度大，成本高，一般业余条件下难以做到. 为满足实际教学的需要，制作了谐振式直交流电转换系统. 利用加入电位器、闪光器、单摆(可利用机械摆钟)、变压器、发光二极管、蜂鸣器、电压表、开关等制作成简易电路，成功地使直流电变为交流电，利用示波器对直交流电波形进行直观形象的观察，作为物理实验教具效果明显.

2 谐振式直交流电转换系统的结构

谐振式直交流电转换系统是利用5 mm的黑色亚克力板材制成带底座的竖直平面盒状框架结构，竖直平面盒的正面印制电路，将一些必要的元件镶嵌于盒的正面，盒内布置其电路和其他一些电路元件. 盒的背面用透明亚克力板，以便对电路的实际布置进行清晰地观察.

谐振式直交流电转换系统分别基于电位器、闪光器和单摆3种方式进行直交流转换.

3 谐振式直交流电转换系统的原理与方法

1)基于电位器的直交流转换原理

如图1所示为基于电位器直交流转换的电路图. P为常用的三脚电位器(相当于中间有抽头的滑动变阻器)，电压表量程为±15 V. 通过使电位器旋钮顺时针逆时针做周期性运动，可以观察到电压表的示数也呈现周期性变化. 通过示波器用直流电演示交流电的波形.

图1 基于电位器直交流转换电路图

首先用直流电压表观察直流电形成的交流电. 按如图1所示接好电路，双电源分别是8节1.5 V干电池，实验时先将电位器的旋钮置于电压零点位置，闭合开关K1和K2，电压表的指针不动，表示电路间的电压为零. 然后将电位器旋钮顺时针旋转，观察到电压表的指针向右偏转，电压表的示数逐渐增加；接着再将电位器旋钮逆时针旋转，指针逐步回到零刻度，继而向左偏转，电压表的示数增大. 电位器的旋钮往复转动，电压表的指针左右摆动，说明此时电路间输出强弱和方向周期性变化的交流电，并且它的频率随电位器旋钮旋转的快慢变化而变化.

完成上述实验后再用示波器观察上述交流电的波形. 关于上述实验，作以下几点说明：

在图1中，电位器的旋钮置于电压零点位置时，电路间输出的电压为零. 说明如下：设每节干电池电动势均为E，内阻均为r，电位器的总电阻为R，则电路中电流为I=16E/(16r+R)，电路间的电压为U=8E-I(8r+R/2)=8E-[16E/(16r+R)](8r+R/2)=0.

在图1中，电位器的旋钮往复转动时电路间的电压就是强弱和方向都随时间变化的交流电压. 由于电位器的旋钮零点等电势(上面已证明)，旋钮顺时针转动时,因此电位器零点左边各点的电势就高于零点的电势，而变阻器中点右边各点的电势就低于零点的电势，且此电势差随着距零点的距离增大而增大，旋钮逆时针转动时道理相同. 这样电位器的旋钮左右往复转动时电路间就输出了交流电.

2)基于闪光器的直交流转换

图2为基于闪光器的直交流转换电路图. S是闪光器,B是变压器，电压表的量程为±15 V. 闪光器具有自动接通电路、自动断开电路的功能,它只有2个接线端子,使用时要求串联接入电路. 闭合电键,在 S的控制下 ,电路不停地闭合、断开,这时就会看到发光二极管LED1和LED2不停地交替闪烁,这是由于流过变压器初级线圈的电流时通时断,穿过初级线圈的磁通量发生变化,变压器另一次级线圈的磁通量随之发生变化， 次级线圈中会产生感应电动势. 若当 S接通时流过的感应电流方向为从上到下,当S断开时流过电路的电流就是从下到上 ,于是电压表指针不停地左右摆动,也就是说得到了交流电. 由于 S的通、断是按照一定的频率有规律地进行，可以观察到电压表的示数也呈现周期性变化，这时接入示波器，可以在示波器上观察到完美的正弦波形.

图2 基于闪电器直交流转换电路图

3)基于单摆方式的直交流转换

图3为基于单摆方式的研究的电路图. A和B为水槽的2个电极，电压表的量程为±15 V. 通过使单摆在水中做周期性运动可以观察到电压表的示数也呈现周期性变化. 通过示波器用直流电演示交流电的波形.

图3 基于单摆的直交流转换电路图

至于单摆在水中摆动，阻尼太大，很难实现持续一定时间的摆动的问题. 基于此我们要做的就是尽可能的去减小阻尼. 首先将原来钟摆的摆改为质量较大的铁球，用铁球做为摆，目的是为了增大摆球摆动的能量，因为，摆在摆动的过程中实际上就是重力势能和动能的不断转化，而重力势能和动能主要取决于摆球的质量. 其次，在铁球下焊接了一个传统中医针炙用的非常细的银针，实际上单摆在摆动过程中与水接触，在水中不断地往复划过的是这个很细的银针，因为这样的设计使得单摆在摆动的过程中阻尼大大的减小，从而使实验获得成功.

实验时先将单摆静止置于平衡位置，闭合开关K,K1和K2，电压表的指针不动，表示电路中的电压为零. 然后将单摆向右摆动，观察到电压表的指针向右偏转，电压表的示数逐渐增加；接着再将单摆向左摆动，指针逐步回到零刻度，继而向左摆动，电压表的示数增大. 单摆往复摆动，电压表的指针左右摆动，说明此时电路间输出强弱和方向周期性变化的交流电，并且变化规律完全与简谐运动的变化规律等同. 完成上述实验后再用示波器观察上述交流电的波形，会得到正弦波形，可以籍此来研究单摆做简谐运动的图像问题. 关于上述实验的原理与基于电位器的直交流转换同理. 实际实验时可用机械钟摆进行实验以期得到稳定而又持续的交流电.

4 结束语

谐振式直交流电转换系统具有很强的直观性，能通过示波器将直流电交流电的波形直观形

象地呈现出来. 该系统能满足于现有学校物理实

验教学，实验效果好，能完成所涉的中学物理电学实验，功能性强、拓展性强.