湯艷坤，楊坤，丁長虹

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

1 綜述

“理實一體”的教學(xué)模式順應(yīng)了學(xué)生傾向于形象思維、喜好動手操作的特點，以“做中學(xué)、做中思、做中教”為理念，突破了以往理論和實踐相脫節(jié)的現(xiàn)象，改變了“板書+講解”的傳統(tǒng)授課模式[1]。電工電子課程具有實踐性強、應(yīng)用性強的特點，很多內(nèi)容非常適合于開展“理實一體”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。針對教學(xué)實際，本文設(shè)計的實驗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)下電路的測量以及針對三種工作狀態(tài)的常用實用電路的設(shè)計，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)域并進行數(shù)據(jù)的測量；

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

（3）利用三極管的三個工作區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同功能實用電路的設(shè)計。在三極管的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用中，首先完成手動按鍵燈電路的設(shè)計，進而改進實現(xiàn)光線控制，進一步改進實現(xiàn)聲控控制，最終實現(xiàn)聲控延時功能，類似樓道里聲控?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，進而實現(xiàn)對聲音的放大；

（4）在完成常規(guī)實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽的題目，利用三極管電路實現(xiàn)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(guān)系來反映，表示這種關(guān)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(shù)，同時它還是分析計算放大電路的重要依據(jù)。通常把晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)，對應(yīng)晶體管的三種工作狀態(tài)[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(tài)特性的測量；二是針對三極管不同工作狀態(tài)的實用電路的設(shè)計；三是一種具有創(chuàng)新性的電路實現(xiàn)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(diào)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(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用電路打下基礎(chǔ)。

2.2 三極管放大狀態(tài)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(tài)的電路，相對的數(shù)字電路就是電壓只有開、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，信息是由信號攜帶著，放大了信號也就放大了信息 。信息是本質(zhì)，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(rèn)識到。這時就需要放大電路發(fā)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(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：需要放大的信號從輸入端進入電路，經(jīng)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(tài)。R2是集電極偏置電阻，讓放大的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓放大。電容C2為輸出濾波電容，經(jīng)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(dāng)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(zhuǎn)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(diào)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(fù)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(diào)整負(fù)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(xiàn)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(guān)狀態(tài)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(guān)狀態(tài)。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(guān)。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(fù)極正好接到電容的正、負(fù)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(xù)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(xù)一段時間，實現(xiàn)長時間的點亮效果。將三極管放大電路和按鍵延時燈結(jié)合起來就可以構(gòu)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(diào)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(guān)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(jīng)過測量，能夠利用LED燈的遠(yuǎn)近實現(xiàn)對音樂信號的選擇和播放，距離能達(dá)到80cm，基本不失真，聲音足夠大。

3 實驗特色和創(chuàng)新

（1）根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的難點設(shè)計合理的實驗，緊密和實際應(yīng)用相連，能夠激發(fā)學(xué)生設(shè)計電路的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力；

（2）各個實驗之間層層遞進，緊密相關(guān)，能夠促進學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用；

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

4 結(jié)束語

本文通過對三極管“理實一體”的電路進行設(shè)計，研究出一系列適合于學(xué)生課堂上或課下操作的實驗。經(jīng)過教學(xué)實踐檢驗，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性大大提高，鍛煉了實際動手能力和創(chuàng)新思維，實現(xiàn)了比較好的教學(xué)效果。