01天體搖擺儀

在頭條的西瓜視訊看到一段拆解 神奇的天體搖擺儀 的視訊。作者展示了一件天體搖擺儀桌面擺件從靜止到啟動的過程。之所以將這段視訊看完，是因為在上個月初，在 山東大學開智慧車競賽技術研討會 時，中午去千佛山遊覽圖中也看到過這種玩具，手動撥動它，猜想其中的驅動原理。這段視訊作者就將該裝飾擺件拆開並分析其中的原理。

^{▲ 天體搖擺儀}

天體搖擺儀的原型金屬框底部有一個永磁鐵，受到底部中電磁鐵的驅動產生持續的擺動。 底部黑色塑料殼上，除了承載四節五號電池（6V）倉盒之外，有一個電磁鐵和它底部的驅動電路板。

電磁鐵具有兩個繞組，使用萬用表可以測量到兩個繞組的直流電阻分別是2000Ω和25Ω。假設兩個繞組使用相同漆包線繞制，那麼從對應的直流電阻可以大體推測這兩個繞組的匝數大概是80:1。

^{▲ 底座上的電磁鐵和它的驅動電路}

02驅動電路

最為不尋常的是電磁鐵非常簡單的驅動電路，上面就只有一個有源器件。視訊中作者經過測量確定這個器件是一個NPN型的三極體。與繼電器三個繞組、驅動電源之間的連線電路如下圖所示：

^{▲ 驅動電路}

在這個驅動電路中，NPN型三極體並沒有進行b-e偏置，因此靜態時它是截止的，整個電路是不消耗電能的。

視訊作者在後面的分析中講解到，當搖擺的永磁鐵在靠近電磁鐵時，會在電磁鐵中線圈$L_1$感應出電動勢，當它超過三極體b-e之間的導通電壓，便會產生基極$I_b$電流，經過三極體電流放大，在三極體發射極輸出 $\left(1+\beta \right)\cdot I_b$ 的電流。該電流流經$L_2$，經過電磁鐵內部的耦合，重新增強了$I_b$，使得三極體飽和導通。此時電磁鐵產生吸力吸引永磁鐵加速靠近。

^{▲ 視訊作者分析電路工作原理}

當永磁鐵經過最低點開始遠離電磁鐵磁芯時，電磁鐵內部的感應電動勢開始反向，這會使得三極體有導通轉向截止，電磁鐵失去勵磁電流。所以在永磁鐵離開時，電磁鐵不產生吸引力。於是在電磁鐵的驅動下，固定有永磁鐵的天體搖擺儀便產生週期擺動。

^{▲ 增加了限時三極體導通狀態的LED電路}

視訊作者的講解清晰明瞭。後面他又通過在L2上並聯一個發光LED來顯示三極體導通的狀態，演示了搖擺儀擺動過程中，三極體導通的變化。

^{▲ 慢鏡頭顯示LED閃爍與金屬框運動的關係}

03問題？

到此為止，似乎天體搖擺儀工作原理講明白了，但是稍微深入思考一下，就會發現還是會使人產生更多的疑問：

1.問題一：

永磁鐵在靠近電磁鐵時，根據電磁感應中的 楞次定律(Lenz Law) ，線圈中所產生的感應電流應該是阻礙由永磁鐵所引起的磁場變化，換句話說，此時電磁鐵中的電流以及對應三極體放大後的電流所產生的磁場會抵消永磁鐵引起的磁通量的變化。此時，電磁鐵不是吸引永磁鐵，而是排斥永磁鐵。

這樣，上面解釋的基礎就不存在了。

2.問題二：

上述電路中，如果三極體從導通變化到截止過程中，線圈中原本流通的電流由於不能夠發生突變，那麼在該電路中，線圈電流經過什麼 續流電路 而流動呢？

3.問題三：

各種摩擦力、空氣的阻尼力都會消耗天體擺動儀中的機械動能。上述電流是將電池中的電能，轉換到線圈中的磁場能量，近而耦合到擺動儀金屬框架的運動動能。那麼電能到機械能能的轉換過程是什麼呢？

^{▲ 天體搖擺儀執行過程}

實際上，解決上面的疑問並不困難，需要藉助於示波器將電路上個點的電壓、電流波形給出，便可以對電路工作原理進行合理的解釋。

很遺憾，視訊作者並沒有給出，我手邊也沒有這個天體搖擺儀。也許下一次再看到景區出售這個桌面擺件時，應該購買一個。