專利名稱:一種普教微電流演示儀的制作方法
本實(shí)用新型涉及普教理科儀器中的一種新型電學(xué)演示儀器。
中學(xué)理科教學(xué)儀器中，原有電學(xué)儀器，不管是安培計(jì)，伏特計(jì)，還是演示電流計(jì)或靈敏電流計(jì)都是采用指針表頭，無法用圖形直接顯示出電源的正、負(fù)極性和電流方向。又因上述儀器靈敏度不夠高，對(duì)一些重要的電學(xué)原理尚無法演示或操作繁鎖，且效果又不佳。如電化學(xué)腐蝕，因訊號(hào)微弱，用原有靈敏電流計(jì)無法將鋼鐵表面存在著的微電池演示出來，又如用原有儀器演示單根導(dǎo)線的右手定則，因指針擺動(dòng)微小，其效果很不理想。
本實(shí)用新型的任務(wù)是為中學(xué)理科教學(xué)提供一種能用圖形顯示正、負(fù)極性和電流方向，靈敏度遠(yuǎn)高于原有傳統(tǒng)電學(xué)教學(xué)儀器，且機(jī)體小巧，可見度大，成本低廉的微電流放大裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用差分直流放大器，專用推挽放大器，專用二極管顯示屏和手動(dòng)輸出選位開關(guān)相配合。即將微弱訊號(hào)經(jīng)推挽放大器或推挽放大器和差分放大器兩級(jí)放大，或?qū)⒄⒇?fù)訊號(hào)經(jīng)推挽放大器的換位處理，然后將上述輸出訊號(hào)，經(jīng)選位開關(guān)控制二極管顯示屏上發(fā)光二極管的發(fā)光組數(shù)，在顯示屏上用圖形顯示出電訊號(hào)的正、負(fù)極性和電流方向。
附圖的簡(jiǎn)要說明圖1是本實(shí)用新型的方框圖。
圖2是本實(shí)用新型放大器的全部電子線路圖，左半部分為一差分放大器(以下簡(jiǎn)稱電路A)，右半部分為一專門設(shè)計(jì)的推挽放大器(以下簡(jiǎn)稱電路B)。
圖3是本實(shí)用新型的二極管顯示屏電路原理圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本實(shí)用新型的工作原理和實(shí)施方案。
參看圖3，能顯示出多種圖形的二極管顯示屏由六組發(fā)光二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6和負(fù)載平衡電阻R5構(gòu)成。D1、D2、D3、D4、R5，一端分頭通過選位開關(guān)K2，再接到推挽放大器的兩個(gè)輸出端Q3、和Q4，另一端其公共點(diǎn)與D5、D6的公共點(diǎn)接通。D5、D6的一端與D1、D2、D3、D4、R5的公共點(diǎn)接通，D5的另一端通地，D6的另一端經(jīng)K2接通或斷開電源，經(jīng)輸出開關(guān)K2的手控選位，六組發(fā)光二極管和負(fù)載平衡電阻R5接到推挽放大器輸出端有以下三種接法第一種接法是D3、D4接通輸出端Q3和Q4。第二種接法是D3、D4同時(shí)接通Q3，推挽放大器另一臂的輸出端Q4接通R5(此時(shí)K2接通接點(diǎn)2)。第三種接法是D1、D2接通輸出端Q3、Q4。當(dāng)Q3或Q4有輸出電流時(shí)，D1、D2能顯示出圖形為兩個(gè)相反箭頭的“＜”和“＞”發(fā)光部分。D3、D4能顯示出圖形為兩個(gè)可左右換位的正、負(fù)符號(hào)“＋、－”和“－、＋”的豎線發(fā)光部分。D5為能顯示圖形橫線公共部分的發(fā)光部分。D6為能顯示圖形“＋－”中兩個(gè)符號(hào)間的間隔部分，這樣通過調(diào)節(jié)選位開關(guān)K2，控制發(fā)光組數(shù)，顯示屏即可出現(xiàn)“←”“→”“＋－”“－＋”“＋＋”“－－”六種符號(hào)的圖形。當(dāng)顯示圖形“＋－”時(shí)，由K2所在擋位使D6下端斷開電源，D6不亮，“＋－”兩個(gè)圖形間隔清楚。當(dāng)顯示圖形“←”時(shí)，由K2的所在擋位使D6接通電源，D6發(fā)亮，使箭頭圖形那一橫的發(fā)光不致中間中斷。D1、D2、D3、D4這四組對(duì)D5、D6而言為相互串聯(lián)。現(xiàn)假如K2放在擋位2，由D3、D4與推挽放大器的兩個(gè)輸入端B1和B2加一個(gè)正、負(fù)訊號(hào)，放大器的一臂工作，由Q3輸出電流，經(jīng)D3、D5流入電源，不難看出，顯示屏上將出現(xiàn)圖形“＋－”。以此類推，當(dāng)推挽放大器的兩個(gè)輸入端送進(jìn)正、負(fù)訊號(hào)時(shí)，撥動(dòng)K2的擋位，顯示屏上將出現(xiàn)“＋－”、“←”、“＋＋”三個(gè)圖形，再將送進(jìn)推挽放大器兩個(gè)輸入端的正、負(fù)訊號(hào)左、右換位時(shí)，撥動(dòng)K2的擋位，顯示屏上將出現(xiàn)“－＋”、“→”、“－－”三個(gè)圖形。
再參看圖2，介紹推挽放大器電路B的工作原理，電路B由兩對(duì)PNP型三極管BG9、BG10、BG15、BG16和兩對(duì)NPN三極管BG13、BG14、BG17、BG18組成四級(jí)直接耦合的無偏壓推挽放大器。當(dāng)有正、負(fù)訊號(hào)從B1、B2兩點(diǎn)輸入時(shí)，BG17、BG18一管截止。一管工作，輸出電流。正、負(fù)訊號(hào)在B1、B2兩點(diǎn)左右換位時(shí)，輸出電流也在Q3、Q4兩點(diǎn)左右換位。R3、R4、R5、R6、R7、R8起過荷保護(hù)作用。在該線路中，BG9、BG10都用3AG1類三極管。雖然這一級(jí)沒有建立工作點(diǎn)，但因3AG1管發(fā)射結(jié)的正向死區(qū)電壓較低的特點(diǎn)，可使該放大器有一個(gè)較好的開關(guān)靈敏度，四級(jí)直接偶合，會(huì)因第一級(jí)的穿透電流經(jīng)多級(jí)放大而導(dǎo)致末級(jí)出現(xiàn)一個(gè)很大的靜態(tài)電流，但由于BG11、BG12和R1、R2的配合，可使末級(jí)功率管BG17、BG18的靜態(tài)電流完全為零。因而二極管屏直接作電路B的負(fù)載，也不會(huì)自動(dòng)激發(fā)。為既要取得良好溫度補(bǔ)償，又不因?qū)斎胗嵦?hào)分流而降低本組放大器的靈敏度，BG11、BG12必須使用和BG9、BG10同型號(hào)的三極管，或使用其溫度特性和反向穿流特性與BG9、BG10的PN結(jié)相近的2AP管，除第一級(jí)三極管要選用β值大一點(diǎn)的外，其余都采用中等β值的三極管，本組放大器的輸入電壓可由0.15V至6V，輸入電流＜1uA，其電流增益可達(dá)109，無輸入訊號(hào)時(shí)，電源損耗可少于0.2mA1。
本實(shí)用新型的第一種實(shí)施方案，就是采用推挽放大器即電路B，二極管顯示屏(如圖3)和輸出選位開關(guān)K2相配合，組裝成一臺(tái)儀器。因不顯示靜電，不需出現(xiàn)“＋＋”、“－－”兩種圖形，圖三中的R5可不要。R1、R2、R3、R4、四個(gè)電阻各取值20Ω，也可全部不要，要上可使各組發(fā)光二極管的負(fù)載電流基本相等，對(duì)延長(zhǎng)顯示屏的使用壽命有好處，電路B中R1、R2的阻值，可在數(shù)K至數(shù)10K內(nèi)選取，這兩個(gè)電阻取值太低，會(huì)降低整機(jī)靈敏度，取值太大，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境溫度較高時(shí)，顯示屏自動(dòng)激發(fā)。其最佳值經(jīng)調(diào)試決定，圖三中各組發(fā)光二極管，D1、D2、D3、D4各組的只數(shù)最好相等，每組6至8只為宜，D6組以二至三只為宜。
上述方案的特點(diǎn)是儀器可在單電源下工作，操作時(shí)，表筆不分正負(fù)。因?qū)W生手握輸入端無誤動(dòng)作，故可讓學(xué)生自己動(dòng)手演示人體和大地都是導(dǎo)體，導(dǎo)體和絕緣體并無絕對(duì)界限，微容量電容器的充、放電現(xiàn)象，水果電池、電化腐蝕及用圖象直接顯示電池的極性、電流的方向、用小容量電容器演示電容器串聯(lián)和并聯(lián)電容量的變化情況等七個(gè)以上實(shí)驗(yàn)。又因可見度大，亦可作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)儀器和教師演示儀器兩用。
本實(shí)用新型的另一種實(shí)施方案，是在第一種實(shí)施方案的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)差分放大器，參看圖2，即在電路B前面再增加電路A，將電路A、電路B、圖3和輸入選位開關(guān)K1、輸出選位開關(guān)K2全部配合在一起組裝成一臺(tái)儀器，電路A系一個(gè)晶體管差分放大器，它由四只小功率三極管BG1、BG2、BG5、BG6組成兩級(jí)差分放大。因只需傳遞瞬時(shí)訊號(hào)，故中間用電容C2、C3偶合。BG5、BG6雖然都有較大的靜態(tài)工作電流，但因兩管的靜態(tài)電流和負(fù)載相等，所以，無輸入訊號(hào)時(shí)，輸出端Q1、Q2兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為零。當(dāng)正負(fù)訊號(hào)從B3、B4兩點(diǎn)輸入時(shí)，Q1、Q2兩點(diǎn)間將出現(xiàn)正負(fù)電位差，當(dāng)正、負(fù)訊號(hào)在B3、B4兩點(diǎn)左右換位時(shí)，因BG5或BG6的輸出電流相互換位，Q1、Q2兩點(diǎn)間的正負(fù)電位也會(huì)左右換位。由B3或B4輸入的靜電訊號(hào)有正負(fù)變化時(shí)，Q1、Q2兩點(diǎn)間的正、負(fù)電位也會(huì)左右換位。本差動(dòng)放大器其電流增益可達(dá)103，將單根導(dǎo)線切割磁力線所產(chǎn)生的感生電訊號(hào)，接到機(jī)殼插孔CZ1、CZ2，經(jīng)K1加至電路A的兩輸入端B4、B3，或?qū)⒂眉埬Σ吝^的小片有機(jī)玻璃上所得到的靜電訊號(hào)，經(jīng)機(jī)殼插孔CZ3通過K1加到電路A的一個(gè)輸入端B4，兩者從電路A上所輸出的正、負(fù)差分訊號(hào)，均足可推動(dòng)電路B正常工作。從而可增加演示單根導(dǎo)線的右手定則，單個(gè)線圈的楞次定律，交直流電的產(chǎn)生原理及摩擦起電等實(shí)驗(yàn)。電路A中，R9、C1是防止靜電訊號(hào)過強(qiáng)，顯示屏上出現(xiàn)圖形左、右翻轉(zhuǎn)而設(shè)置的。R9以5至10MΩ為宜，C1以0.2uF為宜。電路A，也可用對(duì)管組裝或用性能相近的集成塊差分放大器代替。圖三中的R5，取值過小，顯示屏不能正常工作，還會(huì)燒毀D5和BG9或BG10。太大會(huì)使圖形“－－”欠亮?？筛鶕?jù)R5＝ (VD)/(LD5) 進(jìn)行計(jì)算，式中VD為所用發(fā)光二極管的額定工作電壓，LD5為通過D5這組發(fā)光二極管的總額定電流。第二種實(shí)施方案其電流增益可達(dá)1012，驅(qū)動(dòng)電流可＜0.001uA，驅(qū)動(dòng)電壓可＜0.15mV，不受日光燈干擾，且重復(fù)性好。主要供教師做演示實(shí)驗(yàn)用。
綜上所述，本新型可系列生產(chǎn)，且造價(jià)不高，初、高中物理，高中化學(xué)教學(xué)均可使用，在全國(guó)普教戰(zhàn)線有很大的推廣、使用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種供中學(xué)理科教學(xué)用的微電流演示儀，其特征是由差分直流放大器、推挽放大器、二極管顯示屏和輸出選位開關(guān)K2相配合組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的微電流演示儀，其特征是二極管顯示屏由六組發(fā)光二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6加一個(gè)供放大器平衡負(fù)載用的電阻R5組成，D1、D2、D3、D4、R5，一端分頭進(jìn)入選位開關(guān)K2，接到推挽放大器的輸出端Q3、Q4，另一端其公共點(diǎn)和D5、D6的公共點(diǎn)接通，D5的另一端直通電源，D6的另一端經(jīng)選位開關(guān)接通或斷開電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的微電流演示儀，其特征是推挽放大器由兩對(duì)PNP三極管BG9、BG10、BG15、BG16和兩對(duì)NPN三極管BG13、BG14、BG17、BG18四級(jí)直接耦合組成。
專利摘要
普教微電流演示儀屬于中學(xué)理科教學(xué)電學(xué)儀器中的一種專用儀器，用直流放大器將中學(xué)電學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)中所涉及的微弱電訊號(hào)進(jìn)行放大或?qū)⒄?、?fù)訊號(hào)經(jīng)電子線路進(jìn)行處理，然后驅(qū)動(dòng)二極管顯示屏，用圖形顯示出電訊號(hào)的正負(fù)極性和電流方向。本裝置靈敏度高，機(jī)體小巧，使用時(shí)表筆不分正負(fù)，操作簡(jiǎn)便，演示高度直觀、形象，適合于小學(xué)自然，初、高中物理和高中化學(xué)教學(xué)使用。
文檔編號(hào)G09B23/18GK86205985SQ86205985
公開日1987年10月28日 申請(qǐng)日期1986年8月15日
發(fā)明者姜初開 申請(qǐng)人:姜初開導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan