第18课 电子控制系统设计1——三极管电路设计-【精彩三年】2024-2025学年高中通用技术选择性必修1课程探究与巩固Word教参（苏教版2019）

第18课　电子控制系统设计1——三极管电路设计(见学生用书P110) ——5　电子控制系统的设计及其应用，教材P98～116 1．掌握并能按要求设计三极管与继电器的输出电路结构。　2.能设计三极管开关自锁电路。 3．掌握三极管的共发射极接法，掌握继电器的连接(常开、常闭、转换触点的灵活运用) 本课核心点·重难点 1．三极管的接法 三极管有共发射极接法、共集电极接法、共基极接法。 类型 图例 说明 共发射极 基极接上一级信号 负载接在集电极端 三极管可以工作在截止、放大、饱和等状态 基极电位与集电极电位为反相关系 共集电极 基极接上一级信号 负载接在发射极端 三极管可以工作在截止、放大状态 基极电位与集电极电位为同相关系 2．常见的直流电磁继电器的触点有常开、常闭和转换触点等三种类型 在工作过程中能够动作的触点称为动触点，不能动作的触点称为静触点。如图所示，动、静触点处于断开状态的称为常开触点，处于闭合状态的称为常闭触点。线圈不通电时，常开触点断开，常闭触点闭合；线圈通电后，常开触点闭合，常闭触点断开；这种由三个动、静触点组成的触点组称为转换触点。 3．直流继电器的使用 (1)直流继电器的连接方式 直流继电器工作要达到额定工作直流电压，所以必须在继电器两端形成电位差，继电器才能工作。在实际使用中一般要加上一个反接的二极管。 如图所示的电路，为光控电路。当有光线时(达到一定亮度)→光敏电阻R1阻值减小→R2分压增大→三极管V1的基极电平Ub为高电平→V1处于导通状态→继电器工作→常开触点闭合→电动机运行。其中二极管的作用是保护三极管。 (2)触点开关的选择 根据题目描述和实际电路，选择正确的触点开关。以下表的例子(对上一电路图的改进)进行说明。 【注意】默认状态以常开触点为第一考虑对象。 情况描述 分析 选择 连接 当光线强度高于某一值，蜂鸣器响起 有光线(达到一定亮度)→R1阻值减小→R2分压增大→三极管V1的基极电平Ub为高电平→V1处于导通状态→继电器工作→蜂鸣器响起 常开触点 当光线强度低于某一值，蜂鸣器响起 无光线→R1阻值增大→R2分压减小→三极管V1的基极电平Ub为低电平→V1处于截止状态→继电器不工作→蜂鸣器响起 常闭触点 当光线强度低于某一值，红色发光二极管发光，当光线强度高于某一值，绿色发光二极管发光 无光线→R1阻值增大→R2分压减小→三极管V1的基极电平Ub为低电平→V1处于截止状态→继电器不工作→红色发光二极管发光。 有光线(达到一定亮度)→R1阻值减小→R2分压增大→三极管V1的基极电平Ub为高电平→V1处于导通状态→继电器工作→绿色发光二极管发光 转换触点 常开触点接绿色发光二极管； 常闭触点接红色发光二极管 (3)实物图分析 A．类型1： J是线圈，是输入端信号连接处，一般接在三极管的集电极或其他芯片的输出端。 1、2、3构成了转换触点，其中1与2构成常闭触点；1与3构成常开触点。 B.类型2 1与2是线圈，是输入端信号连接处，一般接在三极管的集电极或其他芯片的输出端，使用多用电表测量时电阻值不大也不小。 3、4、5构成了转换触点，其中3与4构成常闭触点(测量为0)；3与5构成常开触点(测量为无穷大)。 【解题举例1】请根据电路的逻辑关系选择1个NPN型三极管驱动直流继电器(继电器接在集电极)，再控制蜂鸣器的通断，在虚线框中画出水位超过d时的报警电路(已知d点为1)。 【参考答案】先画出符号图，再将符号图转换为实物图： 【解题举例2】小李想把电路中的输出部分用直流电磁继电器来实现，请补全以下电路图。(已知3脚输出高电平) 【参考答案】先画出符号图，再将符号图转换为实物图： 4．二级三极管连接 第二级三极管需要接继电器，所以采用共发射极接法，先完成第二级三极管的连接，再利用电位转换，完成第一级三极管的连接。 【解题举例】楼道灯由220 V交流电源供电，采用直流电磁继电器的触点作为楼道灯的开关，用1个三极管控制继电器触点的闭合与断开。请根据上述要求在虚线框中补全电路，已知灯亮时，11脚为高电平。 【参考答案】 【变型】要用两个PNP实现(定值电阻多个)。 【参考答案】 5．多个继电器控制 继电器J1控制触点开关J1——1、J1——2；继电器J2控制触点J2——1、J2——2。 【解题举例】小明准备用两个继电器来控制电机的正转和反转，当V6发光时，电机正转(流过电机的电流由“＋”到“－”)，当V7发光时，电机反转(流过电机的电流由“－”到“＋”)。请帮助小明在虚线框位置设计电机的控制电路，并标明J1、J2，要求三极管采用共发射极接法。提供的元器件有：1个NPN型三极管和1个PNP型三极管、2个电阻、2个普通二极管、2个继电器(每个继电器只有2个常开触点)。 【参考答案1】 【参考答案2】 6．利用三极管的导通(饱和)状态，使某点电位强制为低电平 【解题举例】现设计一个故障保护电路。设计思路：当水位上升至极限水位时，极限水位探头D发出信号，利用门电路的电平转换和三极管的开关特性，强行使V1截止，从而关闭水泵电源。请在虚线框中画出其电路(提供元件：CC4011 中剩余的2输入与非门1个，NPN型三极管1个，可调电阻1个)。 【参考答案】 【解析】要使水泵停止工作，则继电器不吸合，三极管V1截止→V1基极为低电平 当水位超过极限水位，A点为低电平→经过双输入与非门→三极管V的基极为高电平→三极管导通(饱和)→V1基极直接接地，为低电平 例1 如图所示，这是小明设计的某水箱温度控制电路，RT1、RT2为同型号的负温度系数热敏电阻，当水箱温度低于设定温度(50 ℃)时，电热丝加热；当水箱温度高于70 ℃时，停止加热。 　　　　　　　　　555芯片功能表 4脚 2脚 6脚 3脚 低 × × 低 高 ＜VCC ＜VCC 高 ＞VCC ＜VCC 保持 ＞VCC ＞VCC 低 (1)调大RP1阻值，则设定温度__A__(在“A.下限；B.上限”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)将被__B__(在“A.调高；B.调低”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)当K闭合，电热丝处于__A__(在“A.停止加热；B.加热状态；C.保持上一种状态”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)在焊接过程中，2、6脚不小心被短接，则__B__(在“A.不能保持区间控制；B.还能保持区间控制，但温度区间不是50 ℃～70 ℃；C.还能保持区间控制，温度的区间还是50 ℃～70 ℃”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)小明担心555芯片的3脚不能很好地使继电器吸合，决定再加一个三极管驱动电路。请你选用合适的三极管，并在虚线框中完成电路连接，要求三极管采用共发射极接法，使原有的电路功能不变。 【解析】 (1)改变RP1阻值，影响的是2脚的电位，2脚控制的是下限温度。假设此时2脚的电位是VCC，当RP1阻值增大，2脚的电位变小。只有增大RT1，才能使2脚的电位变为VCC。由于RT1是负温度系数热敏电阻，增大RT1，则温度调低。所以下限温度调低。 (2)K闭合时，此时4脚的电位为低电位时，则3脚输出端为低电位，电热丝停止加热。 (3)2、6脚不小心被短接，则2脚接入的电阻不仅是RT1和RP1，所以下限温度有变，同理上限温度也有变。 (4)3脚输出为高电位时，继电器不工作：3脚输出为低电位时，继电器工作。PNP三极管是基极低电平有效，NPN三极管是基极高电平有效。故选用PNP。 变式1 2022·浙江1月选考小明针对《技术与设计2》中的伸缩晾衣架(图1)设计了实验电路(图2)，要求当传感器检测到光线较弱或下雨时，V3发光，表示将晾衣架移入阳台；当传感器检测到光线较强且不下雨时，V4发光，表示将晾衣架移出阳台。请完成以下任务。 (1)小明设计的实验电路的控制属于__A__(A.开环电子控制；B.闭环电子控制)。 (2)用光敏电阻RG检测光照强度，用湿敏电阻RS检测潮湿程度(湿度增大，阻值减小)，要实现上述控制功能，图2虚线框处正确的输入回路是__C__。 　　　　　　A.　　　　　　　B.　　　　　　　C.　　　　　　　D. (3)小明准备用继电器来控制电机正反转，要求V3发光时，电机正转(电流由＋到－)；V4发光时，电机反转(电流由－到＋)。请在虚线框中画出三极管驱动继电器工作的电路，要求三极管采用共发射极接法，标注J1、J2。 (4)小明在活动室搭建实验电路时发现没有或非门芯片，准备用二极管、电阻和比较器重新设计电路，实现同样的功能。小明画出了部分电路，请在虚线框中用1个比较器和2个电阻补全电路。 【解析】 (1)控制系统输入量是检测到的光照和湿度信号，输出量是晾衣架的伸缩，不存在反馈，属于开环控制。 (2)常见的输入部分电路是传感器和可变电阻串联。根据电路，V4发光时，或非门输出1，则A＝1，B＝1，此时光线较强且不下雨。光线强，光敏电阻阻值小，为使与RG相连的B＝1，则RG应串联在上方。不下雨，湿度小，湿敏电阻阻值大，为使与RS相连的A＝1，则RS应串联在下方，选项C正确。 (3)V3发光时，或非门输出低电平，电机正转，此时J1应吸合，故应选用PNP三极管驱动继电器J1。V4发光时，或非门输出高电平，电机反转，此时J2应吸合，故应选用NPN三极管驱动继电器J2。采用共发射极接法时，应将继电器接在三极管的集电极上。为保护三极管，或非门的输出端不能直接接三极管基极，应串联一个基极电阻。 (4)虚线框内的二极管和电阻已经构成或门逻辑，仅需利用电阻和比较器实现非门逻辑。比较器V＋大于V－时，输出高电平，V＋小于V－时，输出低电平。因此，虚线框内二极管的负极应接比较器的负号端，而比较器的正号端可以通过两个串联的电阻分配一个合适的电位，其电位大小可参考集成非门的阈值电压。 变式2 2023·绍兴鲁迅中学检测如图1所示，这是某数据机房温度控制系统，现将温度控制在18 ℃～25 ℃，当温度超过上限时启动排风机M，当温度低于下限时关闭排风机M。图2为555芯片的原理图，请根据图示完成以下任务。 (1)热敏电阻RT1应选用类型为__A__(在“A.PTC；B.NTC；C.PTC、NTC均可”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)只调高上限温度，应将__D__(在“A.RP1下移；B.RP1上移；C.RP2下移；D.RP2上移”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)由于焊接不当，555芯片的3引脚断了，请用555芯片的7脚、1个PNP型三极管、1个整流二极管及1个合适大小的电阻完成虚线框1中的连线，要求保持原来的功能不变。 【答案】 如图 或 (4)现在需要考虑室外环境，当室外温度较高或室外湿度较大时，由空调降温，否则由排风机降温。IR接收到高电平脉冲(由0变1)时，会向空调发送开机降温的红外遥控信号；IR接收到低电平脉冲(由1变0)时，会向空调发送关机的红外遥控信号，其他时候IR不发送信号。RT2为室外正系数热敏电阻，RS为室外负系数湿敏电阻，仅提供一块四2输入或非门芯片，请在虚线框2中完成原理图设计。 【解析】 (1)RT1为正系数热敏电阻。当温度高于上限时，RT1为高阻值，5脚为高电平，2和6脚为低电平，3脚出1，继电器吸合，风机启动。 (2)根据6为1时3出0风机关停知，RP1抽头位置决定下限温度，所以“只调上限”的方法是“只调RP2”；考虑到温度高于上限时，5脚出1，2脚出0，触发风机运转，所以应将RP2向上滑，使得2脚更难出1，以调高上限温度。 (3)考虑到3、7同相，所以温度高于上限时，各元件的状态是：7脚悬空，三极管截止，继电器无动作，常闭触点处于接通状态，风机M启动。 (4)虚框逻辑电路系统分为IR信号子系统和风机信号子系统，标记如图： IR信号子系统：当A＝1且B＝0时，E＝1，其余情况均出E＝0，故E＝A·＝＋B。 风机信号子系统：当A＝1且B＝1时，F＝1，其余情况均出F＝0，故F＝AB＝＋。 变式3 如图所示，这是小明设计的遮阳篷自动开合控制电路。天亮时，遮阳篷自动打开(通过电机的电流从“＋”到“－”)；天黑时，遮阳篷自动闭合(通过电机的电流从“－”到“＋”)。其中电路中555芯片的功能特性如表所示。请完成以下任务。 　 555电路IC1、IC2的特性表 2脚 6脚 3脚 ＜VCC 任意 高电平 ＞VCC ＜VCC 保持 ＞VCC ＞VCC 低电平 (1)关于开关S3的功能分析正确的是__B__(在“A.闭合S3，将变为手动控制；B.断开S3，将变为手动控制”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)请根据题中的控制要求，完成虚线框1中的电路连接。 (3)日出时，A点输出__A__(在“A.高电平；B.低电平”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)小明准备用两个继电器来控制电机的正转和反转，但是手头上的三极管只有PNP型。要求按照原有的逻辑关系控制电机的正反转及停止，请在虚线框2中画出一个电阻、两个PNP型三极管、继电器J1、一个二极管，并采用共发射极接法正确地连接电路(画出J1控制部分即可)。 【解析】 (1)断开S3，也就是切断传感器电路的电源，A点置1，变为手动控制。 (2)考虑IC1的2脚为0可触发电机工作，即C5左端需要低电平信号，所以R3为上偏，光敏二极管为下偏且反接，抽头拉出。 (3)日出时，光敏二极管导通，输出高电平信号，VT2为NPN，故截止，A点为高电平。 (4)考虑到3脚出1时J1吸合，没有NPN，但有两个PNP，所以应该用其中一个PNP和电阻组成反相器，另一个PNP控制J1。 例2 如图所示，这是小明设计的过载保护实验电路。调整负载电阻RH的阻值，当流过RH的电流超过允许值时自动断开负载电源，并保持在断开状态。请根据电路图及其描述完成以下任务。 (1)要增大流过RH的电流允许值，以下调整可行的是__A__、__C__(在“A.RP的滑动触点向上移；B.RP的滑动触点向下移；C.减小R1的阻值；D.增大R1的阻值；E.减小R2的阻值”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)小明准备搭建测试电路，请帮他完成比较器的连接。 (3)小明搭建电路后进行测试，发现电流超过允许值时，继电器不能保持在吸合状态，出现反复吸合释放，不能稳定地将负载电源断开。故障的原因可能是__C__(在“A.J——1的常开触点和常闭触点接反；B.R3阻值过小；C.J——1的常开触点和R3之间断路”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)小明对电路作了部分调整，改用一个三极管和一个电阻来维持过载后负载电源的断开状态。请帮助小明设计该部分电路，并在虚线框中画出。 【答案】 如图 或 或 【解析】 (1)负载电流增大，则V＋变大，V－也变大，RP滑动触点上移；负载电流增大，则V＋不变，则调小R1。 (2)注意电源接地的连接。 (3)当负载电流变大，V＋>V－，IC出1，三极管V1导通，继电器吸合，J——1闭合(实现开关自锁)，三极管V1基极保持高电平；J——1的常开触点和R3之间断路，则无法实现自锁。 (4)使用三极管代替常开触点，V1的集电极电位低，作为三极管的基极信号，选择PNP管。 变式1 如图所示，这是小马设计的水塔水位自动控制系统的示意图(如图1)和电路图(如图2)。RS1和RS2是用于检测水塔水位的干簧管，继电器额定电压5 V，线圈内阻约60 Ω。水塔内放有内嵌永磁体的浮子a，可在立柱b上随着水位的变化做垂直上升或下降运动。当浮子在低水位时，水泵M工作，水塔进水；当浮子上升到高水位时，水泵M停止工作，水塔停止进水。请完成以下任务。 (1)当浮子a在高低水位之间时，闭合S后，水泵M的工作状态是__B__(在“A.进水；B.不进水；C.不能确定”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)水塔中的两个干簧管RS1和RS2的作用分别是__B__(在“A.RS1控制水位上限，RS2控制水位下限；B.RS1控制水位下限，RS2控制水位上限；C.不能确定”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)小马改进了电路，在水池下方安装了一个检测低水位的干簧管RS3，要求当水池水位低于低水位时水泵停止抽水。请在虚线框中连接电路以实现其功能。 (4)小马在搭建电路时，准备利用门电路代替上面电路中的有关分立元件(三极管等电子元器件)，经分析用1块四二输入与非门芯片可实现，其中部分电路已设计完成，请在虚线框中将电路补充完整。 【解析】 (1)当浮子a在高低水位之间时，三极管V1、V2截止，此时继电器线圈两端的电压无法达到直流工作电压，触点开关不吸合，不进水。 (2)当水位下降到下限水位时，需要打水，反推：打水，J——1闭合，继电器线圈有电，三极管V2导通(将发光二极管V4短路)，三极管V1导通，V1基极为高电平，RS1闭合。得知RS1控制水位下限。当打水开始后，水位上升，RS1断开，但需要继续打水，此时J——2闭合(与J——1联动)继续给三极管V1基极提供高电平。直到打水到上限水位，RS2闭合，三极管V1基极为低电平，停止打水。 (3)首先需要满足原来功能，当水池中有水且水位达到下限时需要打水，此时RS3断开，RS1闭合，后续电路工作(V1基极需要有高电平)，能满足的只有RS1端，所以PNP三极管发射极接RS1端，集电极接V1基极端，RS3为输入端接PNP管的基极。当水池无水时，RS3闭合，PNP基极为高电平，处于截止状态，打水停止。 (4)分析题干得到只有2个与非门可用。触发器上输出端记A，下输出端记B，RS3端记C，继电器端记F。A与B总是相反。根据前面电路已知，RS1下，RS2上，达到下限时，A为0，B为1，打水(F为1)。由下向上变化时，触发器处于保持状态，A保持0，B保持1，继续打水。此时C为1，得知B、C是与的关系。列出表达式：F＝AB。需用与非门实现，F＝。 |随|堂|检|测| 1．2023·开化中学检测如图1所示，这是小明设计的有轨电车道路道闸控制电路。利用光敏电阻及压力装置检测有轨电车所处位置；用V5、V6表示道闸电机的正反转，当道闸下降时，电机正转V5亮；当道闸上升时，电机反转V6亮，其他情况都不亮。如图2所示：当有轨电车车头通过监测点A时，道闸降下，红灯V5亮；当车身既遮挡监测点A，又同时处于压力装置区域时，道闸保持下降；当车身仅处于压力装置区域未遮挡监测点A、B时，道闸保持关闭，红、绿灯都不亮；车身未全部离开压力装置区域并同时遮挡监测点B时，道闸上升，绿灯亮；车身仅遮挡监测点B时，道闸保持上升，车尾离开监测点B时，道闸保持打开。说明如下：道闸工作在保持上升或下降状态时触发器工作在保持状态；压力装置功能：当电车车身处于压力装置区域时，压力装置呈现低电阻状态，否则为高电阻状态；比较器功能：V＋>V－时输出高电平，V＋<V－时输出低电平。请完成以下任务。 (1)当有轨电车车身处于压力装置区域时，比较器输出__A__(在“A.高电平；B.低电平；C.不能确定”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)如图3所示，电机(M)电流从“＋”到“－”，电机正转，道闸升起；电机电流从“－”到“＋”，电机反转，道闸降下。请在虚线框1中设计继电器控制电机正反转的电路，并标明J1、J2，要求三极管采用共发射极接法。提供的元器件有：2个NPN型三极管、2个普通二极管、2个电阻、2个继电器。 【解析】 (1)当车身处于压力装置区域时，压力装置呈现低电阻状态，那么比较器V－电压低，比较器输出高电平。 (2)记上端为M，下端为N，V5亮则M点高电平，N点低电平。此时道闸下降，电机正转，要J1闭合。因此M点接J1，同理N点接J2，注意三极管基极应串联电阻，继电器线圈应反向并联二极管。 2．如图所示，这是小明设计的自动花盆湿度控制电路，能够实现湿度区间控制。湿敏电阻RS用于花盆湿度检测。当湿度低于下限时，水泵电机启动给花盆浇水，直到湿度高于上限时才停止。请根据题意完成以下任务。 (1)电路中所用湿敏电阻为__B__(在“A.正系数；B.负系数”中选择合适的选项，填入“________”处)。 (2)只调节湿度的上限，以下做法正确的是__C__(在“A.调节RP1；B.调节R1；C.调节RP2”中选择合适的选项，填入“________”处)。 (3)电路调试时，发现继电器触点始终无法闭合，以下对于该故障的原因分析不正确的是__B__、__D__(在“A.V2击穿；B.RP2连焊；C.R2阻值过大；D.J——2虚焊”中选择合适的选项，填入“________”处)。 (4)电路使用过程中，J——2损坏，请在虚线框中用NPN型三极管和电阻重新设计电路，使电路保持相同的功能。 【解析】 (1)电机运转，V3导通，3脚为0，则2、6脚为1，湿度低电阻大，选项B正确。 (2)调整RP1同时改变上下限；浇水时J——2闭合，RP2参与上限控制。 (3)选项A，V2击穿短路，继电器被短路，继电器触点始终无法闭合，选项不符合； 选项B，RP2连焊时，湿度低于下限时，继电器触点吸合，水泵电机启动给花盆浇水，当高于下限时，继电器触点释放，选项符合； 选项C，R2阻值过大，三极管V3基极电流过小，无法导通，继电器触点始终无法闭合，选项不符合； 选项D，J——2虚焊，湿度低于下限时，继电器触点吸合，水泵电机启动给花盆浇水，当高于下限时，继电器触点释放，选项符合。 (4)三极管实现开关作用，电阻接基极起到保护作用。 学科网（北京）股份有限公司 $$