使用二极管的电烙铁保护电路

使用二极管的电烙铁保护电路

杨雄生

(北京教育学院朝阳分院北京100026)

最近,《物理通报》正在讨论一道2014年高考试题：如图1所示,当二极管短路时,理想电流表的读数如何变化?

图1　理想变压器

在议论这道高考题时,使笔者想起“文革”期间(大约1968～1977年)，在焊接半导体收音机时电烙铁的保护电路，该电路如图2所示．不焊接时，切断开关S，电烙铁和整流二极管D串联，保护电烙铁不过热；焊接时，闭合开关S，二极管短路，让电烙铁有足够的热量．该电路的情况与上述高考题变压器次级情况相似．

图2

记得这个保护电路是当时《无线电》杂志介绍苏联一位无线电爱好者的经验．

2四五十年前设计的保护电路沿用之今

保护电烙铁的这个整流二极管应该满足两个要求：最大整流电流大于电烙铁的额定电流；最高反向工作电压应高于350 V．

当时，由于经济原因,买的整流二极管是处理品 (无型号，但整流电流≥1 A，反向耐压≥350 V)，又找了一个电流稍大的单刀双掷开关，开关有3个状态，笔者想为220 V，45 W的电烙铁的功率设计3个状态：除了45 W和22.5 W外，第3状态设计为32 W．通过计算，电烙铁需串联200 Ω的电阻．

图3　自制的电烙铁保护电路装置

图3(a)是当时制作的保护电路装置的正面，图中电烙铁处于22.5 W状态．图3(b)是装置的反面，D是整流二极管跨接于a与b间，R是20 W，200 Ω的电阻，跨接于b与c间．a是开关的转轴的接点，b和c是双掷的两个接点．需要说明，图3(a)中的白胶布是本次成文时重新贴上去的，平时使用时，电阻R和二极管D要固定并注意绝缘．

多年之后，想将此装置编成一道习题时，仔细研究其电路(如图4)时，才发现功率32 W挡设计有误！从图4中可知，当开关a轮空，二极管起作用，电烙铁功率减半；当开关掷向b，二极管短路，电烙铁全功率；当开关掷向c，原以为只有200 Ω的电阻和电烙铁串联，所以，电路功率38 W，烙铁功率32 W．实际上当开关掷向c，200 Ω的电阻和二极管先并联，再和电烙铁串联．二极管导通半周，烙铁功率45 W；二极管截止半周，电路功率38 W，烙铁功率32 W，整个周期，电路功率41.5 W，烙铁功率38.5 W．

图4

上述讨论，忽略二极管导通时，200 Ω的电阻的旁路电流，那么，这个旁路电流多大？

整流二极管正向工作电压≤1 V，这个旁路电流≤5 mA；同时也忽略二极管截止的反向电流，这个反向电流也≤5 mA．对于额定电流205 mA的电烙铁来讲，忽略5 mA电流引起的误差约2.5%．

3重做实验再次测定保护电路三种状态的功率

最近用DDS2111型单相电子电能表[220 V，5(20) A，50 Hz，3200 imp/(kW·h)]测电能，用手机的秒表功能测时间，再次测本人文革期间制作的电烙铁保护电路(图3)3种状态的功率，情况如表1：测量时电压226 V.

表1　电烙铁保护电路3种状态的功率

对实验说明如下：

用手指按手机秒表功能键的按钮，误差大约滞后0.3 s，对于上述表格中的同一种状态下， 7次按动按钮，每次按动都滞后0.3 s，那么它们之间差值的误差应小于0.3 s．即使是0.3 s的误差，对于本实验来讲，也是可以接受的．

用电子电能表的脉冲(闪烁)测定时间，对脉冲闪烁时间点准备不足，成为实验的难点！为克服此困难，实验前，根据该表的参数先算出每两次脉冲的间隔时间，这样就能做到心中有数了．而且，每种状态，至少要测两次以上，每次测量都以前一次时间为参考点，实验就能更主动了．

以电烙铁功率45 W为标准，根据在相同脉冲间隔内，时间和功率的乘积恒定的关系，可以求出6次串联二极管，电烙铁的功率基本上都为21 W, 此值和理论值有7%的误差．同理，可以算出6次开关掷向c时，电路的功率为41.3～41.55 W,平均值为41.36 W，和理论值的误差不到1%．

此电能表有个3 200 imp/(kW·h)参数，imp为脉冲，对于45 W，22.5 W和41.5 W的用电器，可以算出每相邻两次脉冲间隔的时间，分别为25 s，50 s和27.1 s；而在实际测定中，时间大约都是2倍！实验用的是刚购买来的新电能表，百思不得其解！难道是闪烁次数出厂时，将1 600 imp/(kW·h)标成3 200 imp/(kW·h)！

从实验数据可以看出，这个电能表任何两次相邻脉冲间隔，所消耗的电能基本上相同，这是讨论本文问题的基础．只要有这个基础，上述分析的结论仍然成立．

4对烙铁头的改造

在电烙铁的实际应用中，为解决焊接印刷电路板带来的不便，又将原来直径6 mm，长100 mm原配的烙铁头，换成直径2.73 mm，长115 mm的烙铁头(它插入长85 mm，外径5 mm，内径3 mm的铜管中，铜管再套入原烙铁中)，图3中的烙铁头就是改造过的．这样改造之后，使用烙铁基本上只用22.5 W挡，32 W挡设计失误也就未被发现．

图3的电烙铁及其保护电路(外形美观方面仍有不足)，至今仍在使用，前后已有40多年，但真正使用只有十几年．由于长期只用22.5 W挡，用了十几年，电烙铁的外表也没有烧焦发黑．

本文只是本人在实践活动中的经验和体会，提出来与大家交流，不妥之处请指正．

收稿日期：(2015-06-07)