图像法在动态电路分析中的应用与探讨

试题解析
图像法在动态电路分析中的应用与探讨
浙江省桐乡市凤鸣高级中学（314500）许建明
1提出问题
如何分析电路工？怎么判断上限或下限？为什么555电路能产生振荡信号？是
学生一直困惑的。

在电路过程中，部分学电路与不能真正，学习积极性和习题正确率一定的提升空间。

“电子控制技术"作为浙江2014年新咼考选考科目技术中的必修，它要求学生能够设计、安装与调单的开环、闭环电制。

其中电路调试属于动态电路%实际，能很好的考查学生对电路的理解程度，是中的咼频率$
本校2019考技术的学科组合中带有几门偏理科目（物理、化学、生物）分为0门（政史地中2科+技）、1门（理化生中1科+技）、2门（壬中2科+技）】类，高三学年几考（基础测试、期末考、模拟考试等）中电得分率％得1$ 1可知％得分率与选科中是否带有偏理科目显％来看偏理科目越多得分率高；本校技术的学中没有带偏理科目且得分率偏低$因此％如何
电学知识薄弱、思维能力较差的学生消灭电路个“拦路虎'是技术教师亟待的$
人数比例—电控部分得分率
2动态电路
高中阶求学极管、继电简单 电路等电学的基本特性以单开环闭环控制的设计与调试等。

其中涉的动电路主两类：一类是某物理量变化（光、温度等）导致的电信号（电压、电阻等）发，控制电路的电信号进
3"重视实验的设计与创新
重视对实验的思的深刻理解和%重视设计性实验的培养％注重用学过的物理知识、物理规律作为理论依据％实验设计与创新$创新实验表现在：①对本实验的实验与测量、测量的;②本实验％实现一个装置多用；③的知识与设计实验新的$
3"加强实验综合度与信息量
加强实验综，即重视实验练习、重视新的实验、加强实验的收集与处
%强调基本实验技能的动手落实.在动手中关注实验、拓展实验能力。

%高考物理实验备考复习要在
基本使用、实验、实验、数据处理以差的同时％力实验的设计思、的科学、规范的程序％并从实际岀发的和创新，通过实验目的和要求、实验控制的条件、实验等方%以培养学实验的思和设计创新实验的能力$
收稿日期：2019—07—
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处理％得到预期的输岀量；另一是电路调试过程中％如何调整设定量与量的
以达制的预期目的。

具中电信号主要是电压％控制电路主极管、门电路、555电路、JN6201芯片以CF741等
$常见电的电压特性％可提炼岀图2中两类模型。

!）I类模型
（_）-类模型
图2电路模型
I模型中制处主是极管、门
电路、继电器、JN6201芯片等动作电压的电，通过控制量与动作电压的，得适的输岀量（高、低电平）。

实电路中电压信号一般是感器（光敏电阻、热敏电阻、电阻、管等）给定的。

-类模型中则主要是555电路、集成运CF741等根端的电压大小为触发号的电％同里的电压信号一般都是设定量和量的电给定的。

3图像法在电路调试中的应用
、直观、简洁的特点％在各科目中有一定程度的$特别是在分析
时％既能够呈的过去％又能预测未来；在技术学科核心素养之一的表达中％要求学生能通过表达设计，用技术实与无形、与具体的思维转换。

为此％电路中能直观的呈现电路过程。

根来源不同％下面用案例分如何动态电路。

3.1输入信号变化曲线
极管的控制电路在中学阶段很常见%
I类模型就是其中最典型的例子$物理量需要调制范围时％有时利
以得岀调案％电路过程力薄的学很$
例题1：图3是小明设计的电路，R t为热敏电阻，当温度高于＞1时％;当温度'＞2时％。

已知三极管工作在：状态，下列分析不正确的是（）$
A.R＞正温度系数热敏电
B.当温度很高时，纟却不亮，可将Rp2调小
C当纟能正常亮灭
D.若将RI1的下调，则＞1值会变小
项A属量变，设定量不。

选项B 属量变,设定量纟个选项利用常规的 岀判断。

'选项D电路过程：由电路
分压知U a的大小与RI1的阻值成正相关纟RI1下6a纟R＞为正温度系数热敏电阻，则R＞来时A为低电平，即此时温度来更高时三极管匕才会截止% V1集电极为高电平%三极管兀导$说明＞1的值会变大。

因此，此题答案为D$
RI1对两温度值的影响：由分压知6a与R/阻值成负，而R/阻值 又与温度成正，即6a与温度成负$在图4中可得到6a随温度的简单。

图4中6日和6l为高低电平值纟知，当温度高于＞1时，6a为低电平，V1截止，匕导
;当温度低于＞2时，6a为高电平，V1导
兀截止。

当RI1下调,说明相同温度情况下6a纟线中上移得到曲线6!纟与高低电平线的为新的温度临界值纟知＞1、＞2
$
图4U-T图像
对比两种方法发现%单纯定性分析不仅需要严密的逻辑思维，还需要一定的想象能力。

而图像法则可以图线直观反映岀调试前后上下限变化情况%实用性强。

3"三极管输出特性曲线
三极管输岀特性曲线对三极管工作状态的理解有很大帮助。

对于NPN型三极管％基极电流与集电极电流I c存在图5所7K的关系％即当H"；0时三极管处于截止状态；当0* I"+时图像接近一条倾斜直线I"与I c几乎成正比：
图5I#随I"变化曲线
三极管处于放大状态；当I"〉I"。

时图像逐渐与横坐标平行％I c几乎不随I"的增大而变化%三极管处于饱和状态。

图6表示集电极与发射极电压U ce随基极电流I"变化图像％当I"=0时% U cE=V o%三极管处于截止状态；当I"逐渐增大时6#%逐渐减小％三极管处于放大状态；当三极管饱和时％I c不再变化U c%趋近于0。

由直流回路：1o，R c，三极管％可得：
1o=I c-c+U ce（2）结合图5与（2）式对图6的理解很有帮助。

此
类图像主要考查学生对PN结特性、三极管三状态的理解程度，属于I类模型中难度较大的问题$例题2：图7是小王在电子控制技术实践课上搭建的电路％电流表A1读数为47mA%A2读数为0.47mA%以下说法正确的是（）$
图6U e随I"变化曲线
A.A3的读数为46.53mA
B.三极管放大系数'为100
C极管工在和
D.-2改用50*%A3读数将减小
图7例题2图9
此类问题主要考查学生对三极管输岀特性的理解％由于带有具体数据％若只是定性分析很难解释。

本题突破口在（2）式％将题目数据带入可得U ce=0.3]%从图6可得三极管处于饱和状态％即选项C对$根据电流守恒：
I e=I"+I c（3）
可知A3的读数为47.47mA%由于三极管已饱和I#几乎不随I"的增大而变化％由（1）式可得'>100；根据欧姆定律％当-2变小时I"会增%（3）A3读数$
若在例2现有的基础上需要三极管进入放大状态％该如何调节-I?从图5可以直观的看到%当I"减小到某个范围时三极管就会进入放大状态％调小-I即可。

例题3：小明设计了如图8所示的温度报警电路。

当检测到的温度高于设定值后％13随温度升高逐渐变亮%如果温度继续上升到一定值后% 14、15开始变亮%最后蜂鸣器HA发岀报警声。

根据电路图和功能要求完成下列任务：从％变亮到14、15变亮的过程中％11集电极C和发射极幺之间的电压将（A.降低；B.升高；C.保持不变）$
电路分析一般有两条思路％—条是从输入部分岀发％通过电信号传递得到相应的输岀；另外一条就是从输岀的现象岀发％通过
电信号的传递
图8例题3图示
逆推找到相应的输入。

本题若采用逆推法％13先变亮然后14、15才变亮％说明三条输岀支路的电压在逐渐增大％通过分压关系可知％三极管12的集电极与发射极之间的电压在逐渐降低％当然借助图6还可以判断岀此时12处于放大状态。

在平时教学中适当的将电信号变化可视化％可以让学生对三极管特性及电路分析有更深刻的理解$ 3"波形图
教材中有用门电路、电容器构成多谐振荡器的试验，由555芯片、电容器组成的振荡器在习题里也屡有岀现，由于其过程多、状态繁,若只用文字描述变化过程,很多学生一头雾水。

无形中扩大了他们与电路分析的隔阂，让电路教学难上加难$为此，以图9所示的振荡器为例，利用图像法直观、形象的特点，说明电容器充放电过程及振荡信号产生原理。

参考555芯片功能表可得以下状态分析：>时刻开关S闭合，电容器C1经回路-1，-2，C1开始充电"点（2、6脚）电平从0开始上升,C点!脚）输岀高电平7脚与地断开；>1时刻"点电平上升到1o/3,芯片处于保持状态，即C点保持高电平>2时刻"点电平上升到21cc/3#点输岀低电平％脚与地接通%C1经回路C1，-2，7脚放电"点电平逐渐下降,芯片又进入保持状态，即C点保持输岀低电平；>时刻"点电平下降到1cc3C点又输岀高电平，7脚与地断开%C1又开始充电"点电平又开始上升。

此后便一直循环>1〜>3之间的过程。

由此可得图10所示的波$
图10振荡电路输入与输出波形图
利用图像可以很好的解释C点输岀振荡电平的原理％对于方波频率也可做简单计算：根据-C电路充放电时间公式：1c!）=1c!f）+ 20（0）—1,f））厂/『（匕！）、匕（f）、匕（0）
分别为电容器任意时刻电压、充满时电压、初始时电压%）=-#为时间常数）可知时间与-C乘$
充电时：K12）=21c/3%匕（f）=1c 1c（0）=1c/3,）=（-1+-2）C1；
放电时：1c（23）=1c/3,V c（f）=0,V c（0）= 21o/3,）=-2C1；
振荡周期：T=>12+>23，占空比==>12/$
代入数据可得周期为T=（-1+2-2）C1@2占--
空比=为°V鳥。

这对电路中需要调节无源蜂-1十乙-2
鸣器声音频率、占空比问题或是延时问题都可以做很好的$
4结束语
在电路分析与调试教学过程中，图像能形象表达元器件输入输岀特性%直观描述电路变化过程%清晰表明电路信号传递关系，在解题过程中可以化繁为简，是控制电路教学中很好的辅助工具。

从近期选考真题和各地市模拟试题来看%考查三极管输岀特性、电路定量分析的比重在增加，控制电路难度也在提升，纯粹定性分析已经不能高效、透彻解决问题%为此将图像法与其他方法相结合,相互取长补短才是解决问题的最佳途径。

收稿日期：2019—06—
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