利用声光控开关开发传感器教学实验

摘 要：本文在分析声光控延时开关电路的基础上，对常见的声光控延时开关电路板进行了简单的改造，开发出了四个“传感器”教学实验电路，并详细介绍了改造方法和原理，为实现“传感器”一章的教学提供一条便利的途径。

关键词：集成施密特触发器；输出电平；焊接；工作电压

中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)8(S)-0056-3

人教社版《物理》选修3－2第六章“传感器”是“新课标”教材中新增内容，它体现了《课程标准》对科学、技术与社会的密切联系［1］。本章教学强调通过实验，让学生体验传感器在现代技术中的应用。由于是新增内容，学校实验室缺少有关的实验器材，教师也缺乏经验，难以开展实验教学。我发现用容易买到、在日常生活中常用的声光控延时开关，经简单改装可以完成本章的许多实验。现将几个精彩的例子奉献给同行。

1 声光控延时开关电路分析

市面上销售的声光控延时开关灯座，虽然牌子众多外形不尽相同，但其内部电路都相同。其内部电路如图1，原理是：交流220V电压经灯泡ZD后，由D1～D4组成的整流桥整流，电阻R1、R10分压，电容C1滤波后，在其两端产生12V左右的直流电压，给控制电路供电。

光线较亮时，光敏电阻（CdS）的阻值较低（在路测约1.2kΩ），使集成施密特触发器IC（TC4081BP）的1脚呈低电平；又由于R6、R8电阻分压后，为三极管BG1（9014）的b极提供了正偏电压，BG1一直处于饱和导通状态，其c极（IC的2脚）为低电平，使IC的3脚输出高电平，4脚输出低电平，二极管D5反偏截止，使IC的10脚输出高电平，IC的11脚输出低电平，可控硅WCR因没有触发信号而截止，灯泡不亮。

在晚上光线较暗时，光敏电阻的阻值变大使集成块IC的1脚呈高电平；但由于话筒MIC没有声音输入，三极管BG1极处于导通状态，其c极仍为低电平，所以IC-1、IC-3仍输出高电平，IC-2、IC-4仍输出低电平，灯泡ZD不亮。当有声音或脚步声时，话筒MIC将声音信号转变成电信号，通过电容C2耦合到三极管BG1的b极，使BG1瞬间截止，IC的2脚为瞬间高电平，又因IC的1脚为低电平，在IC的4脚输出高电平时，经二极管D5向电容C3充电。同时IC的11脚输出高电平，经电阻R2和R3分压后，产生一个2V左右的触发信号，使可控硅WCR导通，灯泡ZD发光。此时若外部没有声音信号输入，三极管BG1导通，IC的3脚输出高电平、IC的4脚输出低电平，二极管D5反向截止，电容C3通过电阻R9开始放电，由于电阻R9的阻值较大，放电电流很小，电容C3上所充电压要间隔一定时间才能放完。这样就使IC-3、IC-4保持原输出电平，等电容C3放电结束后，IC的8、9脚为低电平，经IC-3非门反相后促使IC-4也输出低电平，从而使可控硅WCR在电源电压过零时截止，切断灯泡ZD的电源回路，达到了灯泡发光延时自动关断的目的。

集成施密特触发器的型号很多，除了74LS14、74LS00外还有HFC40839E、TC4081BP等，他们的封装形式引脚排列完全相同。

2 应用实例

（1）光控开关演示实验，教材71页。做法是：

方法一：用电烙铁和12号注射器针头，将GB1的集电极悬空，然后用导线将集成电路的2脚接地（与7脚相连），改动后的电路如图2，这样声控电路就不工作了，集成施密特触发器的2脚恒为低电平，光敏电阻得到光照时1脚为低电平，11脚输出低电平灯不亮。用手遮住光敏电阻时1脚为高电平，11脚输出高电平可控硅导通灯泡点亮。

改动后的电路如图2，虚线表示改动的线路。

方法二：考虑安全性，断开交流电路，改用学生电源供电。具体做法是：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，将12V学生电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）在IC的3脚与BG1的集电极间反向接入12V的发光二极管（3）其它做法同方法一。

改动后的电路如图3，虚线表示新增加的元件，图4是改动后的等效电路。方法一的好处是：电路改动少，可以用原电路的可控硅控制灯泡，与实际应用相符。缺点是：电路板上有220V的交流电压。方法二的优点是与教材上原理一致，但改动稍多些。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）用针头与烙铁将IC的3脚、BG1的集电极、光敏电阻一端悬空（3）在IC的1与7之间，2与7之间分别串联一开关，IC的3脚与7脚之间串入一电压表。使用时将开关断开是高电平、闭合时低电平。

改动后的电路如图5，图6是其等效电路。

（3）用示波器观察话筒的工作，教材62页。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚（2）用针头与烙铁将IC的2脚悬空，（3）准备一只10μF电解电容器，将BG1的集电极用导线与电容器的正极相连、负极与示波器的Y输入相连，发射极与示波器的地相连。

改动后的电路如图7，图8是改动后的等效电路图，这样可以利用三极管的放大作用使示波器上的波形更清晰。

（4）演示三极管的放大作用，教材74页。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）悬空BG1的基极，串入灵敏电流表，悬空IC的3脚，悬空R7的任意脚串入电流表。（3）悬空R8任意脚换接一100KΩ的可调电阻。

图9是改动后的等效电路图，改造后的电路可以免去教材上提供的实验电路需要两组电源的麻烦（见物理选修3－272页图6.5－5），看似麻烦其实容易。

以上四个实例只是针对教材对声光控延时开关电路的开发利用，声光控延时开关电路中的施密特触发器有四个非门，还可以开发出许多实验电路，如“简单的逻辑电路”的“与”“或”“非”门，就可以用施密特触发器组合而成，又如通过增加热敏电阻、电磁继电器、光电耦合器等元件，可完成本章大多数实验教学。上述的四个实例的制作过程，用文字表述看上去有些繁琐，其实只是悬空几个元件的引脚，焊上几个元件或导线，只要会使用烙铁就能顺利操作，并不麻烦。市面上销售的声光控延时开关灯座价格便宜，笔者从小摊贩那里购得的灯座只要4元钱，因此实验成本低廉易于实现。

参考文献

［1］人民教育出版社《普通高中标准实验教科书 物理教师教学用书》，2006-6：65页