利用聲光控開關開發(fā)傳感器教學實驗

摘 要：本文在分析聲光控延時開關電路的基礎上，對常見的聲光控延時開關電路板進行了簡單的改造，開發(fā)出了四個“傳感器”教學實驗電路，并詳細介紹了改造方法和原理，為實現(xiàn)“傳感器”一章的教學提供一條便利的途徑。

關鍵詞：集成施密特觸發(fā)器；輸出電平；焊接；工作電壓

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)8(S)-0056-3

人教社版《物理》選修3－2第六章“傳感器”是“新課標”教材中新增內(nèi)容，它體現(xiàn)了《課程標準》對科學、技術與社會的密切聯(lián)系^［1］。本章教學強調(diào)通過實驗，讓學生體驗傳感器在現(xiàn)代技術中的應用。由于是新增內(nèi)容，學校實驗室缺少有關的實驗器材，教師也缺乏經(jīng)驗，難以開展實驗教學。我發(fā)現(xiàn)用容易買到、在日常生活中常用的聲光控延時開關，經(jīng)簡單改裝可以完成本章的許多實驗。現(xiàn)將幾個精彩的例子奉獻給同行。

1 聲光控延時開關電路分析

市面上銷售的聲光控延時開關燈座，雖然牌子眾多外形不盡相同，但其內(nèi)部電路都相同。其內(nèi)部電路如圖1，原理是：交流220V電壓經(jīng)燈泡ZD后，由D1～D4組成的整流橋整流，電阻R1、R10分壓，電容C1濾波后，在其兩端產(chǎn)生12V左右的直流電壓，給控制電路供電。

光線較亮時，光敏電阻（CdS）的阻值較低（在路測約1.2kΩ），使集成施密特觸發(fā)器IC（TC4081BP）的1腳呈低電平；又由于R6、R8電阻分壓后，為三極管BG1（9014）的b極提供了正偏電壓，BG1一直處于飽和導通狀態(tài)，其c極（IC的2腳）為低電平，使IC的3腳輸出高電平，4腳輸出低電平，二極管D5反偏截止，使IC的10腳輸出高電平，IC的11腳輸出低電平，可控硅WCR因沒有觸發(fā)信號而截止，燈泡不亮。

在晚上光線較暗時，光敏電阻的阻值變大使集成塊IC的1腳呈高電平；但由于話筒MIC沒有聲音輸入，三極管BG1極處于導通狀態(tài)，其c極仍為低電平，所以IC-1、IC-3仍輸出高電平，IC-2、IC-4仍輸出低電平，燈泡ZD不亮。當有聲音或腳步聲時，話筒MIC將聲音信號轉變成電信號，通過電容C2耦合到三極管BG1的b極，使BG1瞬間截止，IC的2腳為瞬間高電平，又因IC的1腳為低電平，在IC的4腳輸出高電平時，經(jīng)二極管D5向電容C3充電。同時IC的11腳輸出高電平，經(jīng)電阻R2和R3分壓后，產(chǎn)生一個2V左右的觸發(fā)信號，使可控硅WCR導通，燈泡ZD發(fā)光。此時若外部沒有聲音信號輸入，三極管BG1導通，IC的3腳輸出高電平、IC的4腳輸出低電平，二極管D5反向截止，電容C3通過電阻R9開始放電，由于電阻R9的阻值較大，放電電流很小，電容C3上所充電壓要間隔一定時間才能放完。這樣就使IC-3、IC-4保持原輸出電平，等電容C3放電結束后，IC的8、9腳為低電平，經(jīng)IC-3非門反相后促使IC-4也輸出低電平，從而使可控硅WCR在電源電壓過零時截止，切斷燈泡ZD的電源回路，達到了燈泡發(fā)光延時自動關斷的目的。

集成施密特觸發(fā)器的型號很多，除了74LS14、74LS00外還有HFC40839E、TC4081BP等，他們的封裝形式引腳排列完全相同。

2 應用實例

（1）光控開關演示實驗，教材71頁。做法是：

方法一：用電烙鐵和12號注射器針頭，將GB1的集電極懸空，然后用導線將集成電路的2腳接地（與7腳相連），改動后的電路如圖2，這樣聲控電路就不工作了，集成施密特觸發(fā)器的2腳恒為低電平，光敏電阻得到光照時1腳為低電平，11腳輸出低電平燈不亮。用手遮住光敏電阻時1腳為高電平，11腳輸出高電平可控硅導通燈泡點亮。

改動后的電路如圖2，虛線表示改動的線路。

方法二：考慮安全性，斷開交流電路，改用學生電源供電。具體做法是：（1）用針頭與烙鐵將R1的任意一端懸空，將12V學生電源的正極連接至IC的14腳，負極連接至IC的7腳，為集成電路IC提供工作電壓（2）在IC的3腳與BG1的集電極間反向接入12V的發(fā)光二極管（3）其它做法同方法一。

改動后的電路如圖3，虛線表示新增加的元件，圖4是改動后的等效電路。方法一的好處是：電路改動少，可以用原電路的可控硅控制燈泡，與實際應用相符。缺點是：電路板上有220V的交流電壓。方法二的優(yōu)點是與教材上原理一致，但改動稍多些。

步驟：（1）用針頭與烙鐵將R1的任意一端懸空，12V電源的正極連接至IC的14腳，負極連接至IC的7腳，為集成電路IC提供工作電壓（2）用針頭與烙鐵將IC的3腳、BG1的集電極、光敏電阻一端懸空（3）在IC的1與7之間，2與7之間分別串聯(lián)一開關，IC的3腳與7腳之間串入一電壓表。使用時將開關斷開是高電平、閉合時低電平。

改動后的電路如圖5，圖6是其等效電路。

（3）用示波器觀察話筒的工作，教材62頁。

步驟：（1）用針頭與烙鐵將R1的任意一端懸空，12V電源的正極連接至IC的14腳，負極連接至IC的7腳（2）用針頭與烙鐵將IC的2腳懸空，（3）準備一只10μF電解電容器，將BG1的集電極用導線與電容器的正極相連、負極與示波器的Y輸入相連，發(fā)射極與示波器的地相連。

改動后的電路如圖7，圖8是改動后的等效電路圖，這樣可以利用三極管的放大作用使示波器上的波形更清晰。

（4）演示三極管的放大作用，教材74頁。

步驟：（1）用針頭與烙鐵將R1的任意一端懸空，12V電源的正極連接至IC的14腳，負極連接至IC的7腳，為集成電路IC提供工作電壓（2）懸空BG1的基極，串入靈敏電流表，懸空IC的3腳，懸空R7的任意腳串入電流表。（3）懸空R8任意腳換接一100KΩ的可調(diào)電阻。

圖9是改動后的等效電路圖，改造后的電路可以免去教材上提供的實驗電路需要兩組電源的麻煩（見物理選修3－272頁圖6.5－5），看似麻煩其實容易。

以上四個實例只是針對教材對聲光控延時開關電路的開發(fā)利用，聲光控延時開關電路中的施密特觸發(fā)器有四個非門，還可以開發(fā)出許多實驗電路，如“簡單的邏輯電路”的“與”“或”“非”門，就可以用施密特觸發(fā)器組合而成，又如通過增加熱敏電阻、電磁繼電器、光電耦合器等元件，可完成本章大多數(shù)實驗教學。上述的四個實例的制作過程，用文字表述看上去有些繁瑣，其實只是懸空幾個元件的引腳，焊上幾個元件或導線，只要會使用烙鐵就能順利操作，并不麻煩。市面上銷售的聲光控延時開關燈座價格便宜，筆者從小攤販那里購得的燈座只要4元錢，因此實驗成本低廉易于實現(xiàn)。

參考文獻

［1］人民教育出版社《普通高中標準實驗教科書 物理教師教學用書》，2006-6：65頁

(欄目編輯王柏廬)