使用二極管的電烙鐵保護(hù)電路

楊雄生

(北京教育學(xué)院朝陽分院北京100026)

最近,《物理通報》正在討論一道2014年高考試題：如圖1所示,當(dāng)二極管短路時,理想電流表的讀數(shù)如何變化?

圖1　理想變壓器

在議論這道高考題時,使筆者想起“文革”期間(大約1968～1977年)，在焊接半導(dǎo)體收音機(jī)時電烙鐵的保護(hù)電路，該電路如圖2所示．不焊接時，切斷開關(guān)S，電烙鐵和整流二極管D串聯(lián)，保護(hù)電烙鐵不過熱；焊接時，閉合開關(guān)S，二極管短路，讓電烙鐵有足夠的熱量．該電路的情況與上述高考題變壓器次級情況相似．

圖2

記得這個保護(hù)電路是當(dāng)時《無線電》雜志介紹蘇聯(lián)一位無線電愛好者的經(jīng)驗．

2四五十年前設(shè)計的保護(hù)電路沿用之今

保護(hù)電烙鐵的這個整流二極管應(yīng)該滿足兩個要求：最大整流電流大于電烙鐵的額定電流；最高反向工作電壓應(yīng)高于350 V．

當(dāng)時，由于經(jīng)濟(jì)原因,買的整流二極管是處理品 (無型號，但整流電流≥1 A，反向耐壓≥350 V)，又找了一個電流稍大的單刀雙擲開關(guān)，開關(guān)有3個狀態(tài)，筆者想為220 V，45 W的電烙鐵的功率設(shè)計3個狀態(tài)：除了45 W和22.5 W外，第3狀態(tài)設(shè)計為32 W．通過計算，電烙鐵需串聯(lián)200 Ω的電阻．

圖3　自制的電烙鐵保護(hù)電路裝置

圖3(a)是當(dāng)時制作的保護(hù)電路裝置的正面，圖中電烙鐵處于22.5 W狀態(tài)．圖3(b)是裝置的反面，D是整流二極管跨接于a與b間，R是20 W，200 Ω的電阻，跨接于b與c間．a(chǎn)是開關(guān)的轉(zhuǎn)軸的接點(diǎn)，b和c是雙擲的兩個接點(diǎn)．需要說明，圖3(a)中的白膠布是本次成文時重新貼上去的，平時使用時，電阻R和二極管D要固定并注意絕緣．

多年之后，想將此裝置編成一道習(xí)題時，仔細(xì)研究其電路(如圖4)時，才發(fā)現(xiàn)功率32 W擋設(shè)計有誤！從圖4中可知，當(dāng)開關(guān)a輪空，二極管起作用，電烙鐵功率減半；當(dāng)開關(guān)擲向b，二極管短路，電烙鐵全功率；當(dāng)開關(guān)擲向c，原以為只有200 Ω的電阻和電烙鐵串聯(lián)，所以，電路功率38 W，烙鐵功率32 W．實際上當(dāng)開關(guān)擲向c，200 Ω的電阻和二極管先并聯(lián)，再和電烙鐵串聯(lián)．二極管導(dǎo)通半周，烙鐵功率45 W；二極管截止半周，電路功率38 W，烙鐵功率32 W，整個周期，電路功率41.5 W，烙鐵功率38.5 W．

圖4

上述討論，忽略二極管導(dǎo)通時，200 Ω的電阻的旁路電流，那么，這個旁路電流多大？

整流二極管正向工作電壓≤1 V，這個旁路電流≤5 mA；同時也忽略二極管截止的反向電流，這個反向電流也≤5 mA．對于額定電流205 mA的電烙鐵來講，忽略5 mA電流引起的誤差約2.5%．

3重做實驗再次測定保護(hù)電路三種狀態(tài)的功率

最近用DDS2111型單相電子電能表[220 V，5(20) A，50 Hz，3200 imp/(kW·h)]測電能，用手機(jī)的秒表功能測時間，再次測本人文革期間制作的電烙鐵保護(hù)電路(圖3)3種狀態(tài)的功率，情況如表1：測量時電壓226 V.

表1　電烙鐵保護(hù)電路3種狀態(tài)的功率

對實驗說明如下：

用手指按手機(jī)秒表功能鍵的按鈕，誤差大約滯后0.3 s，對于上述表格中的同一種狀態(tài)下， 7次按動按鈕，每次按動都滯后0.3 s，那么它們之間差值的誤差應(yīng)小于0.3 s．即使是0.3 s的誤差，對于本實驗來講，也是可以接受的．

用電子電能表的脈沖(閃爍)測定時間，對脈沖閃爍時間點(diǎn)準(zhǔn)備不足，成為實驗的難點(diǎn)！為克服此困難，實驗前，根據(jù)該表的參數(shù)先算出每兩次脈沖的間隔時間，這樣就能做到心中有數(shù)了．而且，每種狀態(tài)，至少要測兩次以上，每次測量都以前一次時間為參考點(diǎn)，實驗就能更主動了．

以電烙鐵功率45 W為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)在相同脈沖間隔內(nèi)，時間和功率的乘積恒定的關(guān)系，可以求出6次串聯(lián)二極管，電烙鐵的功率基本上都為21 W, 此值和理論值有7%的誤差．同理，可以算出6次開關(guān)擲向c時，電路的功率為41.3～41.55 W,平均值為41.36 W，和理論值的誤差不到1%．

此電能表有個3 200 imp/(kW·h)參數(shù)，imp為脈沖，對于45 W，22.5 W和41.5 W的用電器，可以算出每相鄰兩次脈沖間隔的時間，分別為25 s，50 s和27.1 s；而在實際測定中，時間大約都是2倍！實驗用的是剛購買來的新電能表，百思不得其解！難道是閃爍次數(shù)出廠時，將1 600 imp/(kW·h)標(biāo)成3 200 imp/(kW·h)！

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，這個電能表任何兩次相鄰脈沖間隔，所消耗的電能基本上相同，這是討論本文問題的基礎(chǔ)．只要有這個基礎(chǔ)，上述分析的結(jié)論仍然成立．

4對烙鐵頭的改造

在電烙鐵的實際應(yīng)用中，為解決焊接印刷電路板帶來的不便，又將原來直徑6 mm，長100 mm原配的烙鐵頭，換成直徑2.73 mm，長115 mm的烙鐵頭(它插入長85 mm，外徑5 mm，內(nèi)徑3 mm的銅管中，銅管再套入原烙鐵中)，圖3中的烙鐵頭就是改造過的．這樣改造之后，使用烙鐵基本上只用22.5 W擋，32 W擋設(shè)計失誤也就未被發(fā)現(xiàn)．

圖3的電烙鐵及其保護(hù)電路(外形美觀方面仍有不足)，至今仍在使用，前后已有40多年，但真正使用只有十幾年．由于長期只用22.5 W擋，用了十幾年，電烙鐵的外表也沒有燒焦發(fā)黑．

本文只是本人在實踐活動中的經(jīng)驗和體會，提出來與大家交流，不妥之處請指正．

收稿日期：(2015-06-07)