電工電子理實(shí)一體教學(xué)模式下三極管實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

湯艷坤，楊坤，丁長(zhǎng)虹

(空軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院基礎(chǔ)部，吉林長(zhǎng)春，130022）

1 綜述

“理實(shí)一體”的教學(xué)模式順應(yīng)了學(xué)生傾向于形象思維、喜好動(dòng)手操作的特點(diǎn)，以“做中學(xué)、做中思、做中教”為理念，突破了以往理論和實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象，改變了“板書(shū)+講解”的傳統(tǒng)授課模式[1]。電工電子課程具有實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，很多內(nèi)容非常適合于開(kāi)展“理實(shí)一體”的教學(xué)模式。在很多院校的教學(xué)中，三極管部分一直是學(xué)員學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)。針對(duì)教學(xué)實(shí)際，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)主要完成三極管放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)三種工作狀態(tài)下電路的測(cè)量以及針對(duì)三種工作狀態(tài)的常用實(shí)用電路的設(shè)計(jì)，具體如下：

（1）連接三極管基本電路，調(diào)整電路參數(shù)，使三極管工作在不同的區(qū)域并進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量；

（2）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)深入理解三極管三個(gè)工作區(qū)域的特點(diǎn)以及工作在三個(gè)工作區(qū)域的條件；

（3）利用三極管的三個(gè)工作區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同功能實(shí)用電路的設(shè)計(jì)。在三極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)應(yīng)用中，首先完成手動(dòng)按鍵燈電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而改進(jìn)實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)控制，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)現(xiàn)聲控控制，最終實(shí)現(xiàn)聲控延時(shí)功能，類(lèi)似樓道里聲控?zé)舻墓δ?；在三極管的放大狀態(tài)應(yīng)用中，首先完成最基本的放大電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的放大；

（4）在完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的題目，利用三極管電路實(shí)現(xiàn)利用燈光傳輸音頻信號(hào)功能。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方案

晶體管的性能可以通過(guò)各極電流和極間電壓關(guān)系來(lái)反映，表示這種關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為晶體管的特性曲線(xiàn)，通過(guò)特性曲線(xiàn)可以了解晶體管性能和參數(shù)，同時(shí)它還是分析計(jì)算放大電路的重要依據(jù)。通常把晶體管的輸出特性曲線(xiàn)分為三個(gè)工作區(qū)，對(duì)應(yīng)晶體管的三種工作狀態(tài)[2]。本實(shí)驗(yàn)主要分為了三大部分，一是針對(duì)三極管放大、飽和、截止三種工作狀態(tài)特性的測(cè)量；二是針對(duì)三極管不同工作狀態(tài)的實(shí)用電路的設(shè)計(jì)；三是一種具有創(chuàng)新性的電路實(shí)現(xiàn)燈光對(duì)音頻信號(hào)的傳輸。

2.1 三極管特性的測(cè)量

圖1 三極管測(cè)量電路

表1

搭建圖1所示電路，調(diào)整Us大小，由0到3.5V之間逐漸增大，按表1進(jìn)行測(cè)量，分析哪些數(shù)據(jù)下三極管處于截止區(qū)？哪些數(shù)據(jù)下三極管處于放大區(qū)？哪些數(shù)據(jù)下三極管處于飽和區(qū)？該電路以最直觀的形式體現(xiàn)出三極管的三種工作狀態(tài)在數(shù)據(jù)上的區(qū)別。然后學(xué)生分析，如果想讓三極管處于三種工作狀態(tài)中，如何調(diào)整電路的參數(shù)。為后面搭建三極管的實(shí)用電路打下基礎(chǔ)。

2.2 三極管放大狀態(tài)實(shí)用電路

三極管放大電路能把小電壓信號(hào)放大成大電壓信號(hào)，就好像卡拉OK能把我們唱歌的聲音放大一樣。放大電路放大的是信號(hào)，是電壓波動(dòng)的幅度，把小的波動(dòng)幅度變成大的，例如說(shuō)話(huà)的聲音波動(dòng)幅度和力量較小，但在KTV的大音箱中波動(dòng)幅度更大、音量更大。三極管放大電路屬于模擬電路，模擬電路是指電壓變化有很多狀態(tài)的電路，相對(duì)的數(shù)字電路就是電壓只有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)的電路。理解三極管放大的原理和意義才能真正明白模擬電路[3]。

放大的本質(zhì)是信息，信息是由信號(hào)攜帶著，放大了信號(hào)也就放大了信息 。信息是本質(zhì)，信號(hào)是載體。某些情況下，攜帶著信息的信號(hào)太微弱，必須加大到一定強(qiáng)度才能被人們聽(tīng)到或認(rèn)識(shí)到。這時(shí)就需要放大電路發(fā)揮它的作用了。為了信息才放大信號(hào)，信號(hào)又是以電壓和電流的形式呈現(xiàn)的，所以才要放大電流和電壓。

圖2 三極管放大電路原理圖

圖3 單管聲頻放大電路

圖2是一款經(jīng)典的三極管放大電路原理圖。工作原理是：需要放大的信號(hào)從輸入端進(jìn)入電路，經(jīng)過(guò)電容C1濾波后進(jìn)入三極管基極，R1是基極上的上拉電阻，使三極管進(jìn)入到放大狀態(tài)。R2是集電極偏置電阻，讓放大的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓放大。電容C2為輸出濾波電容，經(jīng)過(guò)濾波送到輸出端。圖3單管音頻放大電路中，話(huà)筒為信號(hào)采集傳感器，R3是話(huà)筒的偏置電阻，給話(huà)筒一定的電壓，保證話(huà)筒能夠正常工作，當(dāng)有聲音輸入時(shí)，話(huà)筒的正極上就會(huì)有微弱的電壓波動(dòng)，把聲波轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)。利用電容的“通交隔直”的特性，只讓話(huà)筒電路中波動(dòng)的部分進(jìn)入基極。

操作步驟：

（1）按照原理圖2搭建電路。

（2）在輸入端加上頻率為1kHz、幅值為20mV的正弦波，用示波器測(cè)量輸出端波形，記錄輸出電壓有效值和幅值大小。

（3）逐漸增大輸入正弦波信號(hào)的幅值，觀察輸出端波形的變化。

（4）調(diào)整輸入端信號(hào)的頻率，先逐漸減小輸入信號(hào)頻率一直為0Hz，觀察輸出端波形；再增大頻率，同樣觀察輸出波形。

（5）在輸出端加上1kΩ負(fù)載，記錄輸出端電壓大小，并與空載時(shí)輸出電壓大小進(jìn)行比較。調(diào)整負(fù)載大小，觀察對(duì)輸出端電壓大小的影響。

（6）將圖2電路輸入端加上麥克，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集，輸出端接上喇叭，改進(jìn)成圖3所示電路。

2.3 三極管開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)用電路

按照原理圖4搭建電路，連接電路后LED會(huì)點(diǎn)亮。就好像把電池直接連接到LED上一樣亮。拔下1k電阻，LED馬上熄滅，三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。將圖4改進(jìn)下面電路為圖5形式，這是按鍵延時(shí)燈的原理圖，這個(gè)電路利用電容充放電特性來(lái)控制三極管的開(kāi)關(guān)。如果按鍵控制，LED只會(huì)在按下按鍵時(shí)點(diǎn)亮，松開(kāi)時(shí)熄滅。加上電容之后，按下按鍵時(shí)電池正負(fù)極正好接到電容的正、負(fù)極，電容開(kāi)始充電。松開(kāi)按鍵后電容里儲(chǔ)存的電能仍然通過(guò)電阻輸入到基極，因?yàn)榛鶚O是控制端，消耗的電流小。電容里的電能會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)釋放，LED則持續(xù)點(diǎn)亮。隨著電容里的電量越來(lái)越少，LED也越來(lái)越暗，最終熄滅。這一慢放電過(guò)程會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的點(diǎn)亮效果。將三極管放大電路和按鍵延時(shí)燈結(jié)合起來(lái)就可以構(gòu)成聲控延時(shí)燈，如圖6所示。延時(shí)長(zhǎng)度由新加入的電容C2和R4的值決定，你可以用他們來(lái)調(diào)整延時(shí)時(shí)間。一旦完成，只要對(duì)這話(huà)筒喊一嗓子，LED就會(huì)亮一段時(shí)間，最后慢慢熄滅。加上一個(gè)電容完全改變了電路功能，是不是很奇妙呢！

圖4 三極管開(kāi)關(guān)電路

圖5 按鍵延時(shí)燈電路

圖6 聲控延時(shí)燈電路

圖7 燈光傳輸音頻信號(hào)電路

2.4 燈光傳輸音頻電路

經(jīng)過(guò)測(cè)量，能夠利用LED燈的遠(yuǎn)近實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂(lè)信號(hào)的選擇和播放，距離能達(dá)到80cm，基本不失真，聲音足夠大。

3 實(shí)驗(yàn)特色和創(chuàng)新

（1）根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的難點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)，緊密和實(shí)際應(yīng)用相連，能夠激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)電路的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力；

（2）各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間層層遞進(jìn)，緊密相關(guān)，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用；

（3）采用燈光傳輸聲音信號(hào)和當(dāng)前實(shí)際研究相聯(lián)系，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)三極管“理實(shí)一體”的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究出一系列適合于學(xué)生課堂上或課下操作的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性大大提高，鍛煉了實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)了比較好的教學(xué)效果。