光化學(xué)演示器的原理、保養(yǎng)與維修

摘要系統(tǒng)介紹了光化學(xué)演示器光源的工作原理、保養(yǎng)注意事項(xiàng)，列出了常見(jiàn)

的故障現(xiàn)象及進(jìn)行檢測(cè)和維修的方法。

關(guān)鍵詞 光化學(xué)演示器電路；原理；保養(yǎng)事項(xiàng)；故障現(xiàn)象；檢測(cè)；修理方法

中圖分類號(hào)：O644.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-489X（2007）09－0062-04

1 概述

光化學(xué)演示器是一種集電、光及光化學(xué)反應(yīng)于一體的成套儀器，可用于中學(xué)光化學(xué)反應(yīng)演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，也用可于高等師范院校化學(xué)中教法實(shí)驗(yàn)與科研，掌握其原理、保養(yǎng)及故障排除的方法很有必要。為便于有關(guān)院校實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員管理和維護(hù)此類儀器，筆者根據(jù)浙江省杭州市三墩教學(xué)儀器廠生產(chǎn)的J2629型光化學(xué)演示器實(shí)物繪制出了其光源部分的電路圖（圖1）和印刷電路圖（圖2），并就其原理、保養(yǎng)及維修分述如下，供參考。

2 原理

從圖1可以看出該光源為最簡(jiǎn)單的電子閃光燈，主要由振蕩升壓、整流充電、電壓指示、脈沖觸發(fā)四部分構(gòu)成，其中：VT:2SC2500，VD:1N4007，R₁:3.3K，R₂:1M，R₃:2M，C₁:0.01μF，C₂:150μF /330V，C₃:47n/620V，T₁:升壓振蕩變壓器，T₂:觸發(fā)線圈，NL:氖泡（NHO-230），Xe:閃光燈管，K₁:電源開(kāi)關(guān)，K₂:閃光觸發(fā)開(kāi)關(guān)。

2.1 電源

該光源采用外接3 V干電池（或?qū)W生直流電源）做工作電源，由紅、黑色接線柱分別接電源的正負(fù)極，通過(guò)鈕子開(kāi)關(guān)（控制正極）接入電路。

2.2 振蕩升壓電路

振蕩升壓電路由三極管VT、電阻R₁、電容C₁和振蕩變壓器T₁組成。它的作用是將電池組輸出的直流低電壓變換成交流高電壓。接通電源開(kāi)關(guān)K₁后，電源通過(guò)3.3 K的電阻為三極管VT注入一基極電流，于是便產(chǎn)生了相應(yīng)的集電極電流，這個(gè)電流通過(guò)變壓器的初級(jí)線圈L₁1-2便產(chǎn)生自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，“2”端為負(fù)，“1”端為正。通過(guò)變壓器偶合在反饋線圈L₂3-4中，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向是“4”端為正，“3”端為負(fù)。此反饋電壓疊加在偏置電壓上，使三極管的基極、發(fā)射極上偏壓增大，從而使基極電流增大，集電極電流便增大，這樣使三極管迅速飽和，管壓降趨近于零（Uce≈0）。通過(guò)變壓器耦合，在次級(jí)線圈上產(chǎn)生一個(gè)高電壓。同時(shí)，通過(guò)變壓器耦合，使反饋線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相反，即該線圈的“4”端為負(fù)。于是三極管基極電流便減小，集電極電流隨之減小，從而使原來(lái)變壓器次級(jí)線圈的高壓降低。這樣互相影響的結(jié)果，導(dǎo)致集電極電流je迅速截止，三極管突然關(guān)斷。這樣三極管又恢復(fù)到初始狀態(tài)，基極電流便又重新產(chǎn)生，因而又產(chǎn)生集電極電流，使三極管再度導(dǎo)通。這樣反復(fù)的結(jié)果，使變壓器的次級(jí)L₃便產(chǎn)生一個(gè)300 V以上的高頻正弦波的交流高壓，由于振蕩頻率處于音頻范圍（10 kHz），所以電路起振后可聽(tīng)到由變壓器發(fā)出的微弱的“吱吱”叫聲。

三極管2SC2500為閃光燈專用管，體積小而功率高，Uces小、起振快，集電極工作電流大，又能承受高值脈沖電流沖擊，管腳排列見(jiàn)圖3。振蕩變壓器T1采用高導(dǎo)磁率的微型磁芯，繞組引線排列見(jiàn)圖4。

2.3 整流充電電路

整流充電電路由二極管VD和電容C₂組成。變壓器的次級(jí)L₃上的交流高壓經(jīng)半波整流后成為脈動(dòng)直流，對(duì)主電容C₂充電。充電電壓按一定的時(shí)間指數(shù)上升，由低電壓漸漸上升至300 V以上的直流高壓。

二極管1N4007是快速恢復(fù)型高頻整流管，峰值反壓在千伏以上。主電容C₂是一個(gè)給閃光燈管提供能源的儲(chǔ)能元件，是體積小而容量大、耐高壓的電解電容器。

2.4 充電指示電路

充電指示電路包括氖燈和限流電阻R₂。主電容C₂的充電電壓達(dá)到氖燈NL起輝電壓時(shí)，NL導(dǎo)通起輝。根據(jù)電路設(shè)計(jì)，在主電路達(dá)到額定電壓的70%后，氖泡起輝。主電容的工作電壓為300-330 V，氖燈的起輝電壓應(yīng)達(dá)到220-270 V。

2.5 脈沖觸發(fā)電路

脈沖觸發(fā)電路由觸發(fā)電容C₃、分壓電阻R₃、觸發(fā)線圈T₂以及觸發(fā)開(kāi)關(guān)K₂和閃光管Xe組成。在整流管VD對(duì)C2充電的同時(shí)，也經(jīng)分壓電阻R3向C3充電至150 V以上，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)需要光照射時(shí)，按下按鈕開(kāi)關(guān)，K₂接通，C₃通過(guò)K₂和T₂的初級(jí)迅速放電，形成短促的脈沖，則在T₂的次級(jí)感應(yīng)出6000 V以上的高壓，觸發(fā)閃光管，使閃光管內(nèi)的氙氣電離、導(dǎo)通，C₂中所儲(chǔ)存的能量迅速通過(guò)閃光管，形成大電流使氣體放電，發(fā)出耀眼的白光。閃光時(shí)，在開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)上產(chǎn)生火花，燈管發(fā)出“噗”聲均屬正常現(xiàn)象。

觸發(fā)電容C₃耐壓應(yīng)達(dá)400V，觸發(fā)線圈T₂也采用高導(dǎo)磁率的微型磁芯，繞組引線排列見(jiàn)圖5。

3光源使用注意事項(xiàng)

使用光源時(shí)應(yīng)注意：光化學(xué)演示器擱置一段時(shí)間后重新使用，需空閃幾次，使光源內(nèi)的電器元件功能得以恢復(fù)；光源用畢，若殘留剩電（充電指示氖燈仍亮?xí)r）可直接卸下外接電源擦凈后存放，不必閃光放電，這樣對(duì)保養(yǎng)有利；由于教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度的關(guān)系，該光化學(xué)演示器使用不頻繁而間歇待用周期長(zhǎng)，為延長(zhǎng)使用壽命，應(yīng)勤充電。即使在不使用期間，最好每一個(gè)月左右充電一次；精心保管，防潮、防摔、防腐，使用時(shí)注意防止水及酸、堿等溶液的滲入引起短路和腐蝕，用后一定要擦拭干凈、晾干；接電源時(shí)要注意正、負(fù)極，用過(guò)后一定要關(guān)閉開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)電源；除進(jìn)行教學(xué)所需的光化學(xué)反應(yīng)演示及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)外，應(yīng)避免在有易燃、易爆氣體產(chǎn)生的場(chǎng)所使用。

4光化學(xué)演示器的故障與排除

修理光化學(xué)演示器，與檢修其他電子產(chǎn)品一樣，要有明確的檢修思路，并按若干基本原則與順序去檢查，這樣才能迅速、準(zhǔn)確地排除故障。

在修理光源時(shí)，首先利用光源固有的聲、光、電現(xiàn)象，作細(xì)致的分析。振蕩電路正常工作時(shí)有“吱吱”叫聲，閃光瞬間有“噗”聲。氖泡和氙燈均屬發(fā)光器件，易從外部判斷故障。此外，機(jī)殼上的開(kāi)關(guān)，閃光按鈕，電源正、負(fù)極接線柱的接點(diǎn)，電源連接線等外部明顯故障都可為分析、判斷提供方便。

在動(dòng)手檢修電氣部分時(shí)，首先查電源，包括電池本身的故障及電池盒、連接導(dǎo)線，還有演示器的電源接線柱有無(wú)松動(dòng)、接點(diǎn)有無(wú)氧化和化學(xué)腐蝕，這些問(wèn)題雖然簡(jiǎn)單，但容易忽視。

維修時(shí)應(yīng)首先熟悉前述的原理、電路，運(yùn)用電路參數(shù)和萬(wàn)用表，結(jié)合故障表現(xiàn)，把故障范圍壓縮到最小。沒(méi)有找到故障原因，不要輕易更換元、器件；未弄清故障情況，切忌盲目動(dòng)手，以免擴(kuò)大故障，造成不必要的損失。底座打開(kāi)前先切斷電源，打開(kāi)后切記無(wú)論之前是否充、放電或是否閃光，首先用一個(gè)功率大于5 W的1 K的電阻對(duì)主電容C₂正、負(fù)極間充分放電，因?yàn)橹麟娙輲Ц邏海圆蛔⒁饩蜁?huì)造成其他元件損壞或萬(wàn)用表的損壞，從而使故障擴(kuò)大，加大維修難度，同時(shí)也可能對(duì)人體產(chǎn)生電擊。雖該電擊無(wú)關(guān)生命，但人在突然遭受電擊時(shí)，出于防護(hù)本能會(huì)快速抬手，這又可能將儀器摔到地上造成不必要的損失和新的故障。也不要用導(dǎo)線對(duì)主電容直接短路放電，這樣既不安全又可能使電容器內(nèi)部短路損壞。

盡管該儀器的元、器件不多，但故障可能各種各樣，處理的順序應(yīng)是先易后難，先查明顯，后查隱蔽的故障。把那些因處在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室特定環(huán)境及化學(xué)實(shí)驗(yàn)而易被腐蝕、氧化所引起的斷線、開(kāi)路、短路、接觸不良、線路板不潔等情形以及虛焊等常見(jiàn)問(wèn)題先排除掉，然后看一下電路板上有無(wú)明顯的打火和燒焦的痕跡，如有，則應(yīng)用無(wú)水乙醇進(jìn)行針對(duì)性處理，最后集中處理幾項(xiàng)疑難的、隱蔽的故障。

4.1 故障現(xiàn)象：閃光燈不充電

故障分析和修理 在閃光燈正常的情況下，接通電源及開(kāi)關(guān)，應(yīng)能聽(tīng)到“吱吱”的高頻振蕩聲。這時(shí)如果把指針式萬(wàn)用表（撥到最大電流擋）串到電路中，萬(wàn)用表首先顯示2 A左右，隨后逐漸減少到100 mA，這時(shí)指示氖燈應(yīng)點(diǎn)亮，若用萬(wàn)用表直流電壓擋測(cè)主電容器，其兩端應(yīng)有310-330 V的電壓。若沒(méi)有這些現(xiàn)象，可判斷為閃光燈不充電，如果直流變換器無(wú)充電的振蕩“咝咝”聲，應(yīng)檢查閃光燈的工作電流，（萬(wàn)用表串到電路中）有幾種情況：

（1）電源輸出電流為零，應(yīng)檢查開(kāi)關(guān)K1是否良好，外接電源是否正常。

（2）電流指示為2 A，且不衰減，這時(shí)應(yīng)立即切斷電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查。如果發(fā)現(xiàn)三極管的殼體發(fā)熱，則應(yīng)將它焊下，用萬(wàn)用表R×1 K擋進(jìn)行檢查。把黑表筆（相當(dāng)于正電壓）接到三極管基極b，紅表筆（相當(dāng)于負(fù)電壓）接到集電極c或發(fā)射極e，這時(shí)be、bc兩個(gè)PN結(jié)的正向電阻為幾百或幾千歐。然后把紅表筆接基極b，黑表筆接集電極c或發(fā)射極e，這時(shí)be、bc兩個(gè)PN結(jié)的反向電阻為幾十或幾百千歐，這說(shuō)明三極管是好的。反之，如果其中有2個(gè)極無(wú)阻值，說(shuō)明三極管已燒毀；如果其中有2個(gè)極不通，說(shuō)明三極管內(nèi)部斷路，均需調(diào)換新的三極管。若三極管完好，可能偏置電阻R1短路，應(yīng)用萬(wàn)用表測(cè)量其阻值，如果已損壞，可選同參數(shù)的好電阻換上。一般該電阻損壞的情況非常少，三極管2SC2500若一時(shí)找不到，用2SC2270或2SD965都可代替，管腳相同。

（3）輸出電流小于10 mA，應(yīng)檢查R1、C1、T1有無(wú)內(nèi)部斷路或焊接不良的現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)元件失效應(yīng)調(diào)換新的元件，如屬焊接不良應(yīng)重新焊好。

（4）如果主電容器兩端無(wú)電壓，而三極管和線路都完好，那么說(shuō)明變壓器T1內(nèi)部斷路已損壞或引線開(kāi)焊。

（5）如果輸出電流在100mA-1A之間且不衰減，有非常微弱的“吱吱”聲，主電容器兩端有低于100 V的電壓，則說(shuō)明變壓器T1 次級(jí)內(nèi)部短路，這種情況下氖燈不亮。

檢查變壓器是否損壞，可焊下變壓器，用萬(wàn)用表測(cè)量各腳之間的阻值（參見(jiàn)圖4）。變壓器T1各腳之間的正常阻值見(jiàn)表1。遇到4與5間斷路時(shí)，可借助放大鏡仔細(xì)觀察公共端4腳處有無(wú)次級(jí)線圈在接頭處斷開(kāi)的情況，若有則可輕輕刮開(kāi)固定膠，并用萬(wàn)用表確認(rèn)次級(jí)線圈阻值正常時(shí)，可將其接通焊好后繼續(xù)使用，否則阻值不正常的都必須更換。有種情況需要指出：有時(shí)變壓器各腳間阻值正常，但仍不起振，這是因?yàn)樽儔浩骶€圈內(nèi)部有輕微擊穿現(xiàn)象，必須更換新的變壓器。

4.2 故障現(xiàn)象：有充電的“咝咝”聲，但氖泡指示燈不亮

故障分析和修理 有充電的“咝咝”聲，說(shuō)明VT工作正常，振蕩升壓電路完好。這種故障有3種情況：

（1）用萬(wàn)用表測(cè)量電源輸出電流大于1 A，主 電容器兩端有100-200 V的電壓充不上去，并伴有BG1很快發(fā)熱，應(yīng)立即切斷電源。有可能是電容器C₂漏電。這時(shí)如斷開(kāi)C₂再接通電源，氖泡啟亮，說(shuō)明C₂擊穿，用萬(wàn)用表（歐姆擋）的黑表筆接到電容的正極，紅表筆接到電容的負(fù)極，這時(shí)若萬(wàn)用表指針向低阻值偏轉(zhuǎn)，然后指針慢慢返回到無(wú)窮大，則表明此電容是好的；若萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)向低阻值后返回不到無(wú)窮大，則表明此電容已漏電；若指針不動(dòng)或擺動(dòng)很小，則說(shuō)明電容失效，需選相同參數(shù)的電解電容換上。這里提及一種特殊情況：一接通電源，氖燈就亮，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，氖燈就滅，卻不能閃光，往往是主電容C₂開(kāi)路或其中電解液干涸，電容失效造成的。

（2）二極管擊穿短路，使整流電路失效。可將二極管VD拆下，用萬(wàn)用表R×1K擋測(cè)量。正常的二極管正向電阻為幾百歐，反向電阻為幾百千歐，若管子擊穿，則正、反向電阻均為零；如果正、反向電阻無(wú)窮大，則斷路。

（3）電阻R2斷路或氖泡漏氣失效、假焊，這時(shí)仍可閃光，可調(diào)換同阻值的電阻或氖泡及處理假焊。

4.3 故障現(xiàn)象：有充電的“咝咝”聲，氖泡指示燈可亮，但不能閃光

故障分析和修理有充電的“咝咝”聲，幾十秒鐘后氖泡指示燈點(diǎn)亮，說(shuō)明直流變換部分、儲(chǔ)能部分、指示部分工作都正常，只是觸發(fā)閃光部分有故障需要排除。首先應(yīng)用萬(wàn)用表檢查閃光按鈕開(kāi)關(guān)K₂按下時(shí)是否導(dǎo)通和接觸良好，如接觸不良，則應(yīng)處理其觸點(diǎn)或更換按鈕開(kāi)關(guān)，可用導(dǎo)線直接短路電路板連接按鈕開(kāi)關(guān)的兩點(diǎn)，如不閃光，接觸點(diǎn)也無(wú)火花，則可能是電容C₃擊穿短路或斷路，應(yīng)更換同參數(shù)的電容器；如以導(dǎo)線直接短路電路板連接按鈕開(kāi)關(guān)的兩端，不閃光但在接觸處有火花，這說(shuō)明：

（1）參見(jiàn)圖5，有可能觸發(fā)線圈T2損壞，觸發(fā)線圈T2各腳間正常阻值見(jiàn)表2。T₂次級(jí)線圈短路和斷路的情況較多，斷路時(shí)無(wú)高壓，短路時(shí)高壓不足，均不能使閃光管內(nèi)的氙氣電離、導(dǎo)通而閃光，應(yīng)更換新的觸發(fā)線圈。

（2）C₃性能下降，容量不足會(huì)導(dǎo)致有時(shí)閃有時(shí)不閃的情形發(fā)生。

（3）閃光燈管Xe性能不良，發(fā)生慢性漏氣使觸發(fā)電壓增高，也會(huì)有時(shí)閃時(shí)不閃的情形發(fā)生，一般調(diào)換閃光燈管后即可閃光。如手頭一時(shí)沒(méi)有閃光燈管可換，可采取下面的應(yīng)急辦法：①適當(dāng)增大C3的電容量；②從多股銅導(dǎo)線中抽出一根細(xì)銅絲，繞在氙燈管外的引發(fā)極邊上，使引發(fā)極增寬約1-2 mm，并與引發(fā)極焊在一起，以增加引發(fā)面積。