電工電子理實一體教學模式下三極管實驗電路的設計

湯艷坤，楊坤，丁長虹

(空軍航空大學航空基礎學院基礎部，吉林長春，130022）

1 綜述

“理實一體”的教學模式順應了學生傾向于形象思維、喜好動手操作的特點，以“做中學、做中思、做中教”為理念，突破了以往理論和實踐相脫節的現象，改變了“板書+講解”的傳統授課模式[1]。電工電子課程具有實踐性強、應用性強的特點，很多內容非常適合于開展“理實一體”的教學模式。在很多院校的教學中，三極管部分一直是學員學習的重難點。針對教學實際，本文設計的實驗主要完成三極管放大區、飽和區和截止區三種工作狀態下電路的測量以及針對三種工作狀態的常用實用電路的設計，具體如下：

（1）連接三極管基本電路，調整電路參數，使三極管工作在不同的區域并進行數據的測量；

（2）學生根據實驗深入理解三極管三個工作區域的特點以及工作在三個工作區域的條件；

（3）利用三極管的三個工作區域實現不同功能實用電路的設計。在三極管的開關狀態應用中，首先完成手動按鍵燈電路的設計，進而改進實現光線控制，進一步改進實現聲控控制，最終實現聲控延時功能，類似樓道里聲控燈的功能；在三極管的放大狀態應用中，首先完成最基本的放大電路，進而實現對聲音的放大；

（4）在完成常規實驗的基礎上，結合2017年全國大學生電子設計大賽的題目，利用三極管電路實現利用燈光傳輸音頻信號功能。

2 實驗原理及方案

晶體管的性能可以通過各極電流和極間電壓關系來反映，表示這種關系的曲線稱為晶體管的特性曲線，通過特性曲線可以了解晶體管性能和參數，同時它還是分析計算放大電路的重要依據。通常把晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區，對應晶體管的三種工作狀態[2]。本實驗主要分為了三大部分，一是針對三極管放大、飽和、截止三種工作狀態特性的測量；二是針對三極管不同工作狀態的實用電路的設計；三是一種具有創新性的電路實現燈光對音頻信號的傳輸。

2.1 三極管特性的測量

圖1 三極管測量電路

表1

搭建圖1所示電路，調整Us大小，由0到3.5V之間逐漸增大，按表1進行測量，分析哪些數據下三極管處于截止區？哪些數據下三極管處于放大區？哪些數據下三極管處于飽和區？該電路以最直觀的形式體現出三極管的三種工作狀態在數據上的區別。然后學生分析，如果想讓三極管處于三種工作狀態中，如何調整電路的參數。為后面搭建三極管的實用電路打下基礎。

2.2 三極管放大狀態實用電路

三極管放大電路能把小電壓信號放大成大電壓信號，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，是電壓波動的幅度，把小的波動幅度變成大的，例如說話的聲音波動幅度和力量較小，但在KTV的大音箱中波動幅度更大、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的電路，相對的數字電路就是電壓只有開、關兩種狀態的電路。理解三極管放大的原理和意義才能真正明白模擬電路[3]。

放大的本質是信息，信息是由信號攜帶著，放大了信號也就放大了信息 。信息是本質，信號是載體。某些情況下，攜帶著信息的信號太微弱，必須加大到一定強度才能被人們聽到或認識到。這時就需要放大電路發揮它的作用了。為了信息才放大信號，信號又是以電壓和電流的形式呈現的，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是一款經典的三極管放大電路原理圖。工作原理是：需要放大的信號從輸入端進入電路，經過電容C1濾波后進入三極管基極，R1是基極上的上拉電阻，使三極管進入到放大狀態。R2是集電極偏置電阻，讓放大的電流信號轉換為電壓放大。電容C2為輸出濾波電容，經過濾波送到輸出端。圖3單管音頻放大電路中，話筒為信號采集傳感器，R3是話筒的偏置電阻，給話筒一定的電壓，保證話筒能夠正常工作，當有聲音輸入時，話筒的正極上就會有微弱的電壓波動，把聲波轉化成了電信號。利用電容的“通交隔直”的特性，只讓話筒電路中波動的部分進入基極。

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的幅值，觀察輸出端波形的變化。

（4）調整輸入端信號的頻率，先逐漸減小輸入信號頻率一直為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負載，記錄輸出端電壓大小，并與空載時輸出電壓大小進行比較。調整負載大小，觀察對輸出端電壓大小的影響。

（6）將圖2電路輸入端加上麥克，實現對聲音信號的采集，輸出端接上喇叭，改進成圖3所示電路。

2.3 三極管開關狀態實用電路

按照原理圖4搭建電路，連接電路后LED會點亮。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，三極管工作在開關狀態。將圖4改進下面電路為圖5形式，這是按鍵延時燈的原理圖，這個電路利用電容充放電特性來控制三極管的開關。如果按鍵控制，LED只會在按下按鍵時點亮，松開時熄滅。加上電容之后，按下按鍵時電池正負極正好接到電容的正、負極，電容開始充電。松開按鍵后電容里儲存的電能仍然通過電阻輸入到基極，因為基極是控制端，消耗的電流小。電容里的電能會一點一點釋放，LED則持續點亮。隨著電容里的電量越來越少，LED也越來越暗，最終熄滅。這一慢放電過程會持續一段時間，實現長時間的點亮效果。將三極管放大電路和按鍵延時燈結合起來就可以構成聲控延時燈，如圖6所示。延時長度由新加入的電容C2和R4的值決定，你可以用他們來調整延時時間。一旦完成，只要對這話筒喊一嗓子，LED就會亮一段時間，最后慢慢熄滅。加上一個電容完全改變了電路功能，是不是很奇妙呢！

圖4 三極管開關電路

圖5 按鍵延時燈電路

圖6 聲控延時燈電路

圖7 燈光傳輸音頻信號電路

2.4 燈光傳輸音頻電路

經過測量，能夠利用LED燈的遠近實現對音樂信號的選擇和播放，距離能達到80cm，基本不失真，聲音足夠大。

3 實驗特色和創新

（1）根據學生學習過程中的難點設計合理的實驗，緊密和實際應用相連，能夠激發學生設計電路的興趣，提高學生的創新能力；

（2）各個實驗之間層層遞進，緊密相關，能夠促進學生對知識的綜合應用；

（3）采用燈光傳輸聲音信號和當前實際研究相聯系，具有實際應用價值。

4 結束語

本文通過對三極管“理實一體”的電路進行設計，研究出一系列適合于學生課堂上或課下操作的實驗。經過教學實踐檢驗，學生學習積極性大大提高，鍛煉了實際動手能力和創新思維，實現了比較好的教學效果。