通常“蹺蹺板”都是純機械結構的,本文為您介紹的趣味蹺蹺板卻是個電子小裝置,其外觀如下圖所示,隨著兩只發光二極管的交替閃亮,“蹺蹺板”蹺來蹺去,如果在蹺蹺板兩端放上可愛的卡通動物,會更有趣味。
一、工作原理
趣味蹺蹺板是根據兩塊磁鐵間N極(北極)或S極(南極)“同性相斥”的基本原理而制成的,它的電路如圖下所示。晶體三極管VT1、VT2等組成的典型無穩態多諧振蕩器控制兩個電磁鐵YA1和YA2交替工作,所產生的間歇磁場與蹺板上對應的永久磁鐵發生“同性相斥”作用,維持蹺板不停地蹺上蹺下。
由上圖可知,晶體三極管VT1的集電極通過電容器C1與VT2的基極耦合,VT2的集電極通過C2與VT1的基極耦合,因此這是一個集一基耦合式無穩態多諧振蕩器。閉合電源開關SA后,電路通電起振,VT1與VT2交替導通和截止,發光二極管VD1和VD2交替亮滅,同時電磁鐵YA1和YA2的線圈也交替通電。當VT1導通、VT2截止時,VT1集電極電流分成兩路:一路通過限流電阻器R1使VD1發光;另一路流過電磁鐵YA1的線圈,使YA1產生磁場。由于YA1和YA2均固定在蹺板底座兩端,且與蹺板端下方粘固的兩塊小永久磁鐵相對應,如果YA1的接線合理,便能在YA1鐵芯的上端形成N極,這恰好與蹺板左端小磁鐵的N極相對而發生“排斥”,其結果是蹺板左端被磁力推斥升高,右端則下降落在YA2上。經過一段時間,電容器C1、C2充放電過程結束,VT2轉為導通,而VT1轉為截止,VT2的集電極電流流過VD2使其發光并流過YA2在其鐵芯上端形成S極,這與蹺板右端小磁鐵的S極恰好相對而同樣發生“排斥”,于是蹺板右端升高、左端降低。上述過程反復循環進行,蹺板在發光二極管VD1、VD2交替亮滅的同時,會一上一下交替擺動。
電路中,同時調整電阻器R2和R3或振蕩耦合電容器C1和C2的數值,可改變電容器充、放電時間的長短,從而能夠改變蹺板上下擺動的頻率(即快慢)。由于蹺板的機械翻動頻率不能太高,所以電路中C1和C2的數值取得比較大(均為220μF),以使振蕩頻率較低。發光二極管VD1、VD2除有閃光功能外,還具有分別保護VT1和VT2不被相應電磁鐵線圈上所產生的較高感應電壓擊穿的作用。
二、元器件選擇
晶體管VT1、VT2均選用9014(集電極最大允許電流,ICM=100mA,集電極最大允許功耗PCM:310mW)或3DG8型硅NPN小功率三極管,要求兩管盡量配對,電流放大系數β≥50。VD1、VD2均采用φ5mm普通紅色發光二極管。
電磁鐵YA1、YA2需自制。首先按上圖所示,取兩根φ5mm×25mm的鐵芯,另取φ20mm的塑料圓片4片,中心開出φ5mm的圓孔,其中兩個塑料圓片的邊沿處還要分別開出兩個φ1mm~1.5mm的穿線孔,再用強力膠將兩對塑料圓片分別粘固在兩根鐵芯兩端,其中一端露出鐵芯約5mm,即做成兩個電磁鐵的線圈骨架,也可采用兩只現成的卷裝醫用膠布的塑料芯子做線圈骨架,并在塑料芯子的一頭鉆上兩個φ1mm~1.5mm的穿線孔。然后,取φ0.12ram的漆包線分別在兩線圈骨架上繞3000左右,要求線圈引線長度不小于80mm,YA1的線圈正向繞制,YA2的線圈反向繞制,即兩個線圈的繞向正好相反。
小磁鐵最好選用磁性較強的扁圓形或方形永久磁鐵,從市售磁性碰鎖或廢舊磁性鉛筆盒中拆出來的磁鐵,使用效果就挺不錯。如能夠購買到體積小、磁性強的新型釹鐵硼磁鐵,則使用效果更佳。
R1~R4均用RTX-1/8W型碳膜電阻器。C1、C2均用CD11-10V型電解電容器。SA可用CKB-1型撥動開關。G用四節5號或7號干電池串聯(需配套塑料電池架),電壓6V。
三、制作與使用
上圖所示是趣味蹺蹺板的印制電路板接線圖,印制電路板實際尺寸約為40mm×25mm。焊接時注意,發光二極管VD1和VD2、電源開關SA和電池G,均應通過一定長度的細電線焊接在印制電路板上,其余元器件則直接插焊在印制電路板上。另外還要特別注意,不要將電解電容器C1和C2、發光二極管VD1和VD2的極性接反,也不要焊錯晶體三極管VT1和VT2的引腳。
蹺板及其支架、底座盒等,按照圖上圖所示加工制作。蹺板用有機玻璃板或輕質薄木板按 上圖(a)提供的尺寸加工制作,在蹺板中軸線兩頭的位置處,各打上一定深度(≥10mm)的針孔,分別插上兩枚截短了的大頭針做轉軸。鐵皮支架用鍍鋅薄鐵片或罐頭馬口鐵皮按 上圖(b)提供的尺寸和形狀加工制成。底座盒用有機玻璃板、薄木板或五合板粘制而成,其尺寸及外形見 上圖(c)所示。在底建盒面板距兩端15mm處各開出φ5mm的小孔,用來放置電磁鐵YA1和YA2的鐵芯;在中間位置按鐵皮支架4只插腳的間距,開出4個對應小方孔,用于固定鐵皮支架。在底座盒前側面兩頭各開出φ5mm的小孔,以便嵌放發光二極管VD1和VD2;在中間位置開出大小合適的小孔,用于固定電源開關SA。
組裝參照圖1所示進行。首先,將鐵皮支架插入底座盒面板所開的4個對應小方孔內,并使盒內伸出的4只鐵皮腳彎折勾緊。然后,通過兩枚截短的大頭針把蹺板裝在鐵皮支架上。蹺板的兩端下面用強力膠各粘一塊小磁鐵,小磁鐵的磁場方向應與蹺板垂直。如果小磁鐵體積較大,可以事先根據小磁鐵的形狀在蹺板兩端挖槽,把小磁鐵粘固在槽內。蹺板應保持兩邊基本平衡、上下擺動起來靈活,而且可以粘上大小合適的卡通玩具,不過卡通玩具及蹺板不可過重。焊接好的電路板、電池G(帶塑料架)等全部安裝在底座盒內,發光二極管VD1和VD2、電磁鐵YA1和YA2、電源開關SA等,分別嵌固在底座盒上所開出的對應小孔內。
裝配好的趣味蹺蹺板,只要元器件質量有保證,焊接無誤,閉合電源開關SA后,蹺板就會上下翻動,并且發光二極管VD1和VD2也會同步閃亮。如果蹺板擺動速度太快,可通過適當增大電容器C1和C2的容量或電阻器R2和R3的阻值加以調整;反之,蹺板翻動速度太慢時,則應減小其容量或阻值。如果發現電磁鐵YA1和YA2的推力不足,可以適當減小電阻器R2和R3的阻值,或者換用β值大一些的晶體三極管VT1和VT2,以使其能夠進入深度飽和。如果其中有一個電磁鐵將蹺板吸住不放,可將蹺板上對應的小磁鐵調換一下極性;如果兩電磁鐵都吸住蹺板,則應把蹺板左右兩端調換一下位置,或同時調換蹺板兩端小磁鐵的極性。
這個趣味蹺蹺板在工作時電路最大電流將近50mA,無論當玩具或作為小擺設使用時,均應注意做到不使用時,隨手關掉電源開關SA,以節約電能。
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