三极管工作特性的研究及实用电路的设计

课程名称：电工学

实验题目：三极管工作特性的研究及实用电路的设计

课程简要信息

课程名称：电工电子技术基础，课程学时：80学时，适用专业：飞行器系统与应用，学生年级：大学二年级

实验内容与任务

在我校《电工电子技术基础》课程中，三极管部分一直是学员学习的重难点。针对教学实际，本实验主要完成三极管放大区、饱和区和截止区三种工作状态下电路的测量以及针对三种工作状态的常用实用电路的设计，具体如下：

1. 连接三极管基本电路，调整电路参数，使三极管工作在不同的区域并进行数据的测量；

2. 学生根据实验深入理解三极管三个工作区域的特点以及工作在三个工作区域的条件；

3. 利用三极管的三个工作区域实现不同功能实用电路的设计。在三极管的开关状态应用中，首先完成手动按键灯电路的设计，进而改进实现光线控制，进一步改进实现声控控制，最终实现声控延时功能，类似楼道里声控灯的功能；在三极管的放大状态应用中，首先完成最基本的放大电路，进而实现对声音的放大；

4. 在完成常规实验的基础上，结合2017年全国大学生电子设计大赛的题目，利用三极管电路实现利用灯光传输音频信号功能。

实验过程及要求

本实验经历课前预习、课上实验以及课后研讨拓展三个阶段，每个阶段的具体要求如表1所示。

表1 实验过程及要求

相关知识及背景

本实验主要是利用三极管实现各种实用电路，通过实验辅助学生对三极管特性及应用的理解，其中，利用三极管电路实现灯光对音频信号的传输，方法具有创新性。需要用到三极管知识、信号的转换及传感器（麦克）的使用、信号放大、信号传输（光传输音频信号）、Multisim仿真软件使用等知识，在实验中需要能够利用仪器仪表进行检测，对万用表、示波器、直流稳压电源能够熟练使用。

教学目标与目的

通过实验能够克服三极管学习中的理论难点，引导学生建立将理论电路转换为实际应用电路的思维方式，同时具有能够将简单电路按需求进行改进的能力；引导学生自主学习和使用常用传感器，能够选择元器件、搭建电路、检测电路、实现功能。

教学设计与引导

三极管三种工作状态的理解对于我校学生来说一直是一个难点，本实验是针对学生学习过程中对三极管三种工作状态三极管的特性和应用设计的实验，基础性很强，应用性和创新性也很强。这个实验过程这个实验的完成需要经历课前查阅研讨准备；课上方案论证、模块设计、整机调试；课后应用扩展、总结收获三个过程。在每个过程，教员都适当地对学员进行指导，具体的指导方法和内容如表2所示。

表2 实验设计与引导

实验原理及方案

本实验主要分为了三大部分，一是针对三极管放大、饱和、截止三种工作状态特性的测量；二是针对三极管不同工作状态的实用电路的设计；三是一种具有创新性的电路实现灯光对音频信号的传输。

1）三极管特性的测量

图1 三极管测量电路 表3 三极管测量数据表

搭建图1所示电路，调整Us大小，由0到3.5V之间逐渐增大，按表3进行测量，分析哪些数据下三极管处于截止区？哪些数据下三极管处于放大区？哪些数据下三极管处于饱和区？该电路以最直观的形式体现出三极管的三种工作状态在数据上的区别。然后学生分析，如果想让三极管处于三种工作状态中，如何调整电路的参数。为后面搭建三极管的实用电路打下基础。

2. 三极管放大状态实用电路

三极管放大电路能把小电压信号放大成大电压信号，就好像卡拉OK能把我们唱歌的声音放大一样。放大电路放大的是信号，是电压波动的幅度，把小的波动幅度变成大的，例如说话的声音波动幅度和力量较小，但在KTV的大音箱中波动幅度更大、音量更大。三极管放大电路属于模拟电路，模拟电路是指电压变化有很多状态的电路，相对的数字电路就是电压只有开、关两种状态的电路。理解三极管放大的原理和意义才能真正明白模拟电路。

图2 三极管放大电路原理图 图3 单管声频放大电路

放大的本质是信息，信息是由信号携带着，放大了信号也就放大了信息 。信息是本质，信号是载体。某些情况下，携带着信息的信号太微弱，必须加大到一定强度才能被人们听到或认识到。这时就需要放大电路发挥它的作用了。为了信息才放大信号，信号又是以电压和电流的形式呈现的，所以才要放大电流和电压。

图2一款经典的三极管放大电路原理图。大概的工作原理是：需要放大的信号从输入端进入电路，经过电容C1滤波后进入三极管基极，R1是基极上的上拉电阻，使三极管进入到放大状态。R2是集电极偏置电阻，让放大的电流信号转换为电压放大。电容C2为输出滤波电容，经过滤波送到输出端。图3电路中，话筒为信号采集传感器，R3是话筒的偏置电阻，给话筒一定的电压，保证话筒能够正常工作，当有声音输入时，话筒的正极上就会有微弱的电压波动，把声波转化成了电信号。利用电容的“通交隔直”的特性，只让话筒电路中波动的部分进入基极。

操作步骤：

（1）按照原理图2搭建电路。

（2）在输入端加上频率为1kHz、幅值为20mV的正弦波，用示波器测量输出端波形，记录输出电压有效值和幅值大小。

（3）逐渐增大输入正弦波信号的幅值，观察输出端波形的变化。

（4）调整输入端信号的频率，先逐渐减小输入信号频率一直为0Hz，观察输出端波形；再增大频率，同样观察输出波形。

（5）在输出端加上1kΩ负载，记录输出端电压大小，并与空载时输出电压大小进行比较。调整负载大小，观察对输出端电压大小的影响。

（6）将图2电路输入端加上麦克，实现对声音信号的采集，输出端接上喇叭，改进成图3所示电路。

3. 三极管开关状态实用电路

图4 三极管开关电路 图5 按键延时灯电路

图6 声控延时灯电路

按照原理图4搭建电路，连接电路后LED会点亮。就好像把电池直接连接到LED上一样亮。拔下1k电阻，LED马上熄灭，三极管工作在开关状态。将图4改进下面电路为图5形式，这是按键延时灯的原理图，这个电路利用电容充放电特性来控制三极管的开关。如果按键控制，LED只会在按下按键时点亮，松开时熄灭。加上电容之后，按下按键时电池正负极正好接到电容的正、负极，电容开始充电。松开按键后电容里储存的电能仍然通过电阻输入到基极，因为基极是控制端，消耗的电流小。电容里的电能会一点一点释放，LED则持续点亮。随着电容里的电量越来越少，LED也越来越暗，最终熄灭。这一慢放电过程会持续一段时间，实现长时间的点亮效果。将三极管放大电路和按键延时灯结合起来就可以构成声控延时灯，如图6所示。延时长度由新加入的电容C2和R4的值决定，你可以用他们来调整延时时间。一旦完成，只要对这话筒喊一嗓子，LED就会亮一段时间，最后慢慢熄灭。加上一个电容完全改变了电路功能，是不是很奇妙呢！

4）灯光传输音频电路

图7 灯光传输音频信号电路

经过测量，能够利用LED灯的远近实现对音乐信号的选择和播放，距离能达到80cm，基本不失真，声音足够大。

7. 教学实施进程 {#教学实施进程}

8. 实验报告要求 {#实验报告要求}

实验报告分为了两部分：预习报告和实验报告两部分。

预习报告需要反映以下工作：

1）学生利用仿真电路完成数据的测量，做好记录，为实际电路的测量做好准备；

2）驻极体话筒的使用方法和电路；

3）查找利用灯光传输音频信号的方法，在预习报告里根据查找的资料提供一种方法。

实验报告需要反映以下工作：

1）三极管电路不同工作状态时的测量数据记录，由不同的测量数据对三极管工作状态进行总结和区分；

2）三极管放大状态电路原理图的设计、改进和数据记录（重点明确三极管放大电路所具有的特性，包括信号的频率、大小、负载大小等对输出电压信号大小的影响）；

3）三极管开关状态电路原理图的设计和改进（重点根据三极管不同工作状态的要求学会参数的选择）；

4）灯光传输音频信号电路的有效传输距离的大小；

5）电路改进措施：如何实现音频信号多路和远距离传输。

9. 考核要求与方法 {#考核要求与方法}

本实验采取过程式的评价方式，综合课前的任务完成情况、课上实际操作以及课后的实验报告完成情况给定学员成绩。其中，各部分成绩标准如表4所示。

表4 考核要素和评定标准

项目特色或创新 {#项目特色或创新}

1. 根据学生学习过程中的难点设计合理的实验，紧密和实际应用相连，能够激发学员设计电路的兴趣，提高学员的创新能力；

2. 各个实验之间层层递进，紧密相关，能够促进学生对知识的综合应用；

3. 采用灯光传输声音信号和当前实际研究相联系，具有实际应用价值；

4. 过程式考核方式促进学员每个阶段任务的完成以及对问题的深入思考、深入研究。

参赛选手信息表