电磁跷跷板的原理与制作

一、工作原理

趣味跷跷板是根据两块磁铁间N极(北极)或S极(南极)“同性相斥”的基本原理而制成的，它的电路如图下所示。晶体三极管VT1、VT2等组成的典型无稳态多谐振荡器控制两个电磁铁YA1和YA2交替工作，所产生的间歇磁场与跷板上对应的永久磁铁发生“同性相斥”作用，维持跷板不停地跷上跷下。

由上图可知，晶体三极管VT1的集电极通过电容器C1与VT2的基极耦合，VT2的集电极通过C2与VT1的基极耦合，因此这是一个集一基耦合式无稳态多谐振荡器。闭合电源开关SA后，电路通电起振，VT1与VT2交替导通和截止，发光二极管VD1和VD2交替亮灭，同时电磁铁YA1和YA2的线圈也交替通电。当VT1导通、VT2截止时，VT1集电极电流分成两路：一路通过限流电阻器 R1使VD1发光；另一路流过电磁铁YA1的线圈，使YA1产生磁场。由于YA1和YA2均固定在跷板底座两端，且与跷板端下方粘固的两块小永久磁铁相对 应，如果YA1的接线合理，便能在YA1铁芯的上端形成N极，这恰好与跷板左端小磁铁的N极相对而发生“排斥”，其结果是跷板左端被磁力推斥升高，右端则 下降落在YA2上。经过一段时间，电容器 C1、C2充放电过程结束，VT2转为导通，而VT1转为截止，VT2的集电极电流流过VD2使其发光并流过YA2在其铁芯上端形成S极，这与跷板右端小 磁铁的S极恰好相对而同样发生“排斥”，于是跷板右端升高、左端降低。上述过程反复循环进行，跷板在发光二极管VD1、VD2交替亮灭的同时，会一上一下 交替摆动。

电路中，同时调整电阻器R2和R3或振荡耦合电容器C1和C2的数值，可改变电容器充、放电时间的长短，从而能够改变跷板上下摆动的频率(即快慢)。由于跷板的机械翻动频率不能太高，所以电路中C1和C2的数值取得比较大(均为220μF)，以使振荡频率较低。发光二极管VD1、VD2除有闪光功能外，还具有分别保护VT1和VT2不被相应电磁铁线圈上所产生的较高感应电压击穿的作用。

二、元器件选择

晶体管VT1、VT2均选用9014(集电极最大允许电流，ICM=100mA，集电极最大允许功耗PCM：310mW)或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求两管尽量配对，电流放大系数β≥50。VD1、VD2均采用φ5mm普通红色发光二极管。

电磁铁YA1、YA2需自制。首先按上图所示，取两根φ5mm×25mm的铁芯，另取φ20mm的塑料圆片4片，中心开出φ5mm的圆孔，其中两个塑料圆 片的边沿处还要分别开出两个φ1mm～1.5mm的穿线孔，再用强力胶将两对塑料圆片分别粘固在两根铁芯两端，其中一端露出铁芯约5mm，即做成两个电磁 铁的线圈骨架，也可采用两只现成的卷装医用胶布的塑料芯子做线圈骨架，并在塑料芯子的一头钻上两个φ1mm～1．5mm的穿线孔。然后，取 φ0．12ram的漆包线分别在两线圈骨架上绕3000左右，要求线圈引线长度不小于80mm，YA1的线圈正向绕制，YA2的线圈反向绕制，即两个线圈 的绕向正好相反。

小磁铁最好选用磁性较强的扁圆形或方形永久磁铁，从市售磁性碰锁或废旧磁性铅笔盒中拆出来的磁铁，使用效果就挺不错。如能够购买到体积小、磁性强的新型钕铁硼磁铁，则使用效果更佳。

R1～R4均用RTX-1／8W型碳膜电阻器。C1、C2均用CD11-10V型电解电容器。SA可用CKB-1型拨动开关。G用四节5号或7号干电池串联(需配套塑料电池架)，电压6V。

三、制作与使用

上图所示是趣味跷跷板的印制电路板接线图，印制电路板实际尺寸约为40mm×25mm。焊接时注意，发光二极管VD1和VD2、电源开关SA和电池G，均应通过一定长度的细电线焊接在印制电路板上，其余元器件则直接插焊在印制电路板上。另外还要特别注意，不要将电解电容器C1和C2、发光二极管VD1和VD2的极性接反，也不要焊错晶体三极管VT1和VT2的引脚。

跷板及其支架、底座盒等，按照图上图所示加工制作。跷板用有机玻璃板或轻质薄木板按 上图 (a)提供的尺寸加工制作，在跷板中轴线两头的位置处，各打上一定深度(≥10mm)的针孔，分别插上两枚截短了的大头针做转轴。铁皮支架用镀锌薄 铁片或罐头马口铁皮按 上图 (b)提供的尺寸和形状加工制成。底座盒用有机玻璃板、薄木板或五合板粘制而成，其尺寸及外形见 上图 (c)所示。在底建盒面板距两端15mm处各开出φ5mm的小孔，用来放置电磁铁YA1和YA2的铁芯；在中间位置按铁皮支架4只插脚的间距，开出 4个对应小方孔，用于固定铁皮支架。在底座盒前侧面两头各开出φ5mm的小孔，以便嵌放发光二极管VD1和VD2；在中间位置开出大小合适的小孔，用于固 定电源开关SA。

组装参照图1所示进行。首先，将铁皮支架插入底座盒面板所开的4个对应小方孔内，并使盒内伸出的4只铁皮脚弯折勾紧。然后，通过两枚截短的大头 针把跷板装在铁皮支架上。跷板的两端下面用强力胶各粘一块小磁铁，小磁铁的磁场方向应与跷板垂直。如果小磁铁体积较大，可以事先根据小磁铁的形状在跷板两 端挖槽，把小磁铁粘固在槽内。跷板应保持两边基本平衡、上下摆动起来灵活，而且可以粘上大小合适的卡通玩具，不过卡通玩具及跷板不可过重。焊接好的电路 板、电池G(带塑料架)等全部安装在底座盒内，发光二极管VD1和VD2、电磁铁YA1和YA2、电源开关SA等，分别嵌固在底座盒上所开出的对应小孔 内。

装配好的趣味跷跷板，只要元器件质量有保证，焊接无误，闭合电源开关SA后，跷板就会上下翻动，并且发光二极管VD1和VD2也会同步闪亮。如 果跷板摆动速度太快，可通过适当增大电容器C1和C2的容量或电阻器R2和R3的阻值加以调整；反之，跷板翻动速度太慢时，则应减小其容量或阻值。如果发 现电磁铁YA1和YA2的推力不足，可以适当减小电阻器R2和R3的阻值，或者换用β值大一些的晶体三极管VT1和VT2，以使其能够进入深度饱和。如果 其中有一个电磁铁将跷板吸住不放，可将跷板上对应的小磁铁调换一下极性；如果两电磁铁都吸住跷板，则应把跷板左右两端调换一下位置，或同时调换跷板两端小 磁铁的极性。

这个趣味跷跷板在工作时电路最大电流将近50mA，无论当玩具或作为小摆设使用时，均应注意做到不使用时，随手关掉电源开关SA，以节约电能。