河北省石家庄二中高中物理 6传感器的应用实验 7页

第四节：传感器的应用实验 ‎ ‎【学习目标】‎ ‎1、知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性。‎ ‎2、知道晶体三极管的放大特性。‎ ‎3、掌握逻辑电路的基本知识和基本应用。‎ ‎【学习重点】：传感器的应用实例。‎ ‎【学习难点】：由门电路控制的传感器的工作原理。‎ ‎【教学过程】‎ 一、问题引入 上节课我们学习了温度传感器、光传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的温度、光传感器？‎ 二、学习新课 阅读下列学习资料总结二极管的特点和作用：‎ ‎（一）、普通二极管和发光二极管 固态电子器件中的半导体两端器件。起源于19世纪末发现的点接触二极管效应，发展于20世纪30年代，主要特征是具有单向导电性，即整流特性。利用不同的半导体材料、掺杂分布、几何结构，可制成不同类型的二极管，用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。例如稳压二极管可在电源电路中提供固定偏压和进行过压保护；雪崩二极管作为固体微波功率源，用于小型固体发射机中的发射源；半导体光电二极管能实现光-电能量的转换，可用来探测光辐射信号；半导体发光二极管能实现电-光能量的转换，可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等；肖特基二极管可用于微波电路中的混频、检波、调制、超高速开关、倍频和低噪声参量放大等。 按用途分：检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关管、光电管。按结构分：点接触型二极管、面接触型二极管 发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。‎ 特点：‎ 作用：‎ 阅读下列学习资料总结三极管的特点和作用：‎ ‎（二）、晶体三极管 晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。‎ 发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的 PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。‎ 晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将 ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。‎ ‎ ‎ 特点：‎ 作用：‎ ‎（三）逻辑电路 逻辑电路是 以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。分组合逻辑电路和时序逻辑电路。前者的逻辑功能与时间无关，即不具记忆和存储功能，后者的操作按时间程序进行。由于只分高、低电平，抗干扰力强，精度和保密性佳。广泛应用于计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面。这里我们主要说逻辑门电路。‎ 逻辑门电路符号图包括与门，或门，非门，‎ ‎1．与逻辑 对于与门电路，只要一个输入端输入为0，则输出端一定是 ，只有当所有输入端输入都同为 时，输出才是1.‎ ‎2．或逻辑 对于或门电路，只要一个输入端输入为1，则输出一定是 ，反之，只有当所有输入端都为 时，输出端才是0.‎ ‎3.非门电路 对于非门电路，当输入为0时，输出总是 ，当输入为1时，输出反而是 ，非门电路也称反相器。‎ ‎4.斯密特电路：‎ 斯密特触发器是特殊的 电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值 V时，输出端Y会突然从高电平调到低电平 V，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候 V，Y会从低电平跳到高电平 V。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为 的 信号。而这正是进行光控所需要的。‎ LED R2‎ R1‎ RG A Y ‎+5V ‎（四）、应用实例 ‎1、光控开关 电路组成： 触发器， 电阻，发光二极管LED模仿路灯，滑线变阻器，定值电阻，电路如图所示。‎ 工作原理：‎ 注意：要想在天暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大一些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。‎ 拓展：如果电路不用发光二极管来模拟，直接用在电路中，就必须用到电磁继电器。如下图。‎ R1‎ RG A Y ‎+5V 高压工作电路 ‎~‎ ‎220V ‎2．温度报警器（热敏电阻式报警器）‎ 结构组成：斯密特触发器， 电阻，蜂鸣器，变阻器，定值电阻，如图所示。‎ R1‎ RT A Y ‎+5V 工作原理：‎ 注意：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。‎ 课堂练习 ‎1.与门的输入端输入信号为何时，输出端输出“‎1”‎（ ）‎ A.0 0 B.0 ‎1 C.1 0 D.1 1‎ ‎2.或门的输入端输入信号为何时，输出端输出“‎0”‎（ ）‎ A.0 0 B.1 ‎0 C.0 1 D.1 1‎ ‎3.联合国安理会每个常任理事国都拥有否决权，假设设计一个表决器，常任理事国投反对票时输入“‎0”‎，投赞成或弃权时输入“‎1”‎，提案通过为“‎1”‎，通不过为“‎0”‎，则这个表决器应具有哪种逻辑关系（ ）‎ A.与门 B.非门 C.或门 D.与非门 ‎4.图是一个复合门电路，由一个x门电路与一个非门组成.若整个电路成为一个与门，则x电路应是（ ）‎ A.与门 B.或门 C.与非门 D.或非门 ‎5.“第4题”中的整个电路若成为一个或门，则x电路应是（ ）‎ ‎6.如图是一个三输入端复合门电路，当C端输入“‎1”‎时，A、B端输入为何时输出端Y输出“‎1”‎（ ）‎ A.0 0 B.0 ‎1 C.1 0 D.1 1‎ ‎7.如图所示，一个三输入端复合门电路，当输入为1 0 1时，输出为___________.（填“‎0”‎或“‎1”‎）‎ ‎8.与非门可以改装成一个非门，方法为只用一个输入端如A端，而另一个输入端B端输入稳定信号，则为把与非门改装成非门，B端应始终输入___________.（填“‎0”‎或“‎1”‎）‎ ‎9、某些非电学量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电学量来测量的，一电容的两个极板放置在光滑的水平平台上，极板的面积为S，极板间的距离为d，电容器的电容公式为C=ES/d（E是常数但未知）.极板1固定不动，与周围绝缘，极板2接地，且可以在水平平台上滑动，并始终与极板1保持平行，极板2的两个侧边与劲度系数为k、自然长度为L的两个完全相同的弹簧相连，两弹簧的另一端固定，弹簧L与电容垂直，如图（1）所示.图（2）是这一装置的应用示意图，先将电容器充电至电压U后即与电源断开，再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀向左的待测压强p，使两极板之间的距离发生微小的变化，测得此时电容器两极板间的电压改变量为ΔU.设作用在电容板上的静电力不致引起弹簧可测量的形变，试求：待测压强p.‎ ‎【学习小结】‎ 本节课主要学习了以下几个问题：‎ 1、 二极管的特点和作用：‎ 2、 三极管的特点和作用：‎ 3、 斯密特触发器的特点和作用：‎ ‎【课后作业】课本作业 ‎【学习心得】‎