光标式电子检流计

LC电磁振荡是高中物理教学的一个重要的难点实验。我刊2000年11期刊出的《用发光二极管显示电磁振荡》一文中 ,实验时仅红色二极管微微发亮后,两二极管再也不发亮,根本看不到二极管依此交替发光的现象。这主要是二极管的插入损耗太大,使LC回路的Q值低。把电流计直接串入LC振荡回路,由于插入损耗太大且响应速度慢,如采用光标检流计,会取得很好的效果。

工作原理

电路原理如附***所示,集成运放A、B与周围电阻组成电流检测放大电路。它由两级反相输入的比例放大器组成,总电压放大倍数AU=(R5/R4)·(W2+R8)/R7,可在100~68100间连续可调,以适应不同检测电流的需要。R2、R3、W1为运放建立合适的工作点,使输入端Ui=0时,输出端电压Uo为电源电压的一半,使起检流指示作用的发光管LED1~LED5、LED7~LED11均不发光,实际上,W1起到了指针式检流计调零旋钮的作用。a 、b为检流计的输入端子,R1为检测电阻,也就是检流计的内阻,D1、D2为输入保护二极管,防止大电流损坏运放A。当有检测电流i流过R1时,其两端产生压降Ui= i·R1,该压降即为放大电路的输入信号电压,被放大显示。由于R1很小,只有1Ω,所以检流计串联在电流回路中,对被检测电路几乎无影响。R10~R20串联分压产生10个基准电压,各集成运放接成电压比较器,与电阻、发光二极管组成电平指示电路以同步反映端子a 、b间流过电流的相对大小、方向及变化规律。其中,运放C~G构成的5个电压比较器,其反相输入端分别接基准电压6.2、5.8、5.4、5.0、4.6V,同相输入端都接放大器B的输出U0,用于正向电流(即从a端流入b端流出)的比较显示。另5个电压比较器的同相输入端分别接基准电压4.4 、4.0 、3.6、3.2 、2.8 V,反相输入端都接放大器的输出U0,用于负向电流的比较显示。

当有电流 i 从 a端流入, 假如为 0.1mA,此电流几乎全部流经R1,则放大器检测到的输入电压为U1=0.1 mA×1Ω=10-4V,若放大倍数调在10000倍,则Uo= 4.5 V+10-4V×10000 =5.5V,高于电压比较器E、F、G的基准电压,输出高电平,对应发光管LED3~LED5发光,当i =0.15 mA,则Uo=6 V,比较器D也输出高电平,LED2也发光,发光管的数目与检测电流成正比,输入电流由小到大时,发光管点亮的次序为5—4—3—2—1。当电流从b端流入,检测电压Ui为负,输出电压Uo降低,担任负向检测的比较器H、J、K、L、M依次输出高电平,使对应LED发光。电流越大,Uo越低,发光管亮的数目越多(次序为7—8—9—10—11)。这样,通过弧形排列的10只LED(常亮的LED6除外)的发光数目和位置即可定性地反映检测电流的大小和方向。且发光管与电流的变化同步显示,非常形象、直观。

制作方法

元件选择 运放A~M为三块运放集成电路LM324,每块运放集成电路内含有四个相同的运算放大器,它们电源共用,彼此***工作。发光二极管LED6为红色或黄色,其余LED为绿色,均用2×7mm高亮度的,所有电阻均用 1/8W普通碳膜电阻,C1用耐压25V的电解电容器,W1、W2为优质碳膜或线绕电位器。电源可用6节1号电池或外接7.5~12V直流电,也可在检流计电路内设计上直流电路,接220V市电,在此不再赘述。

安装调试 除电位器W1、W2、LED及限流电阻R21~R31外,其余元件都设计安装在一块敷铜板上,所有限流电阻均和LED焊在一起,这样可减少引线。为适应指针式检流计的观察习惯,可把LED1~LED11呈扇形排列安装在面板上,LED6排在正中间,为便于学生观察,检流计外形尺寸可适当大些。只要元件无误,安装正确,不用调试,均能正常工作。

LED光标电流计内阻很小,响应速度快,可视性强,能很好地弥补传统电流计在LC电磁振荡实验中的缺陷。值得注意的是:光标指示值仅定性表示流过检流计电流大小。该光标电流计是一个近似理想的检流计,使用前估测电流大小,转动W2使增益选在合适位置,接通电源开关K,调整W1使排在正中间的LED6外,其余LED均不发光(即调零)。把接线柱a、b接入待测电路。即可向指针式检流计一样进行演示实验。

该光标检流计的灵敏度很高,可利用它做电磁感应相关实验,并能改善其演示和观察效果。

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