1.2 电子控制系统的组成和工作过程

电子控制系统的组成和工作过程

一、教学分析

1.教材分析

本课是第一章第二节“电子控制系统的组成和工作过程”。从对比分析两种路灯控制系统的基本组成入手,再通过搭接一个路灯自动控制的电子模型,来学习电子控制系统的基本组成和工作过程,从而为学生学习后面各章提供了一把钥匙。

2.学情分析

学生在通用技术必修2的学习中,已学过关于控制系统的一些概念,例如输入、控制、输出,以及功能模拟方法的含义,但对电子控制系统内部电子元件,例如发光二极管、光敏电阻、三极管等的工作原理不太了解,教师可用通俗的语言补充解释其作用,以利于学生的学习。

二、教学目标

1.知识与技能目标

(1)知道电子控制系统的基本组成。

(2)能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。

2.过程与方法目标

(1)通过对两种路灯控制系统方框图的对照,知道电子控制系统的基本组成。

(2)通过搭接一个路灯自动控制的电子模型,加深对电子控制系统组成的理解。

3.情感态度和价值观目标

(1)激发学生动手尝试的兴趣和热爱技术的情感。

(2)提高学生比较及分析电子控制系统的能力。

三、教学重难点

1.重点

(1)电子控制系统的基本组成。

(2)能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。

2.难点

电子控制系统内部常见电子元件的工作原理。

四、教学策略

本节课程以多媒体技术为辅助教学手段,通过观察、基本知识讲授、小组探究、分析表达、技术试验、能力展示等教学方法和策略,在教师指导下,通过学生自主探究建构知识和技能。

五、教学准备

通用技术专用教室、多媒体、课件、路灯自动控制模型。

六、课时安排

共1课时

七、教学过程

(一)新课导入

教师展示:路灯自动控制模型

板书:第一章 电子控制系统概述

第二节 电子控制系统的组成和工作过程

(二)新课呈现

师:过去的路灯需要人工控制,现在利用电子控制技术实现了自动化控制,正如我们刚才看到的路灯自动控制模型,那么,这两者在组成上有什么异同呢?

学生讨论

教师总结

路灯的人工控制系统:

路灯的电子控制系统:

师:从上图的对应关系中可以看出:两个系统都是先进行信息的收集,然后经过对信息的分析、判断、发出命令,再执行命令,闭合或者切断电路,从而达到控制目的。

两个系统虽然结构的组成各不相同,但是各部分完成的功能十分相似。

板书:电子控制系统的基本组成

电子控制系统一般可分为输入、控制(处理)和输出三个基本的组成部分。用方框图表示如下:

讨论:电子控制系统各部分的组成及工作过程。

输入部分:通常由各种传感器组成,输入信息可以有多少形式,可以是作用力,也可以是温度、湿度、磁场、光照强度等环境参数的变化,用传感器把采集的非电量变化转变为电量的变化(传感器的工作原理在本书第二章有详细介绍)。

输入部分相当于人的感官,它能将采集的非电量变化转变为电量的变化。例如,手按动按钮开关,输入部分就把机械开关的通或断的非电量变化转变为电信号(电压或电流)的有或无的电量变化。

控制(处理)部分:一般由具有各种控制功能的电子电路(或微处理器)组成。它的作用相当于人的

大脑,它能对送入的电信号进行比较、分析和处理,并发出指令。

输出部分:由电磁继电器、晶闸管等多种执行机构组成。输出信号可以是位移,如电磁继电器中衔铁运动、电动机的转动等,也可以是声音、光等,如扬声器中发出的音乐声。

师:通过讨论与分析,我们可以将基本的电子控制系统的工作过程用下图来表示:

电子控制系统的工作过程

[马上行动] 分析下列电子控制系统的基本组成部分,并说出它们的简要工作过程(P9)。

[在电子计算机家庭中,无论是大型的还是家用的,都可以看作是由输入、控制(处理)和输出三个最基本的部分组成的。

输入:键盘、鼠标、话筒、摄像头、手写板、扫描仪等;

控制(处理):主机;

输出:显示器、扬声器、打印机等。

[小组试验] 利用电子积木搭接一个光控路灯的模型,在电路试验板上按照下图所示电路搭接一个光控路灯的模型。使装置能达到下列要求:

模拟夜晚,用黑纸罩住光敏电阻R ,外界光线照射不到光敏电阻时,R 的阻值变得很大,三极管导通,代表路灯的发光二极管就会自动点亮。

模拟白天,当拿去遮光的黑纸,让强光照射光敏电阻R 时,

R 的阻值变得很小,三极管截止,发光二极管就熄灭。

[讨论] 画出路灯自动控制模型的方框图。

参考答案如下: 输入:光敏传感器;

控制(处理):晶体三极管组成的电子电路; 输出:发光二极管。

[扩展阅读1] 光敏传感器:

光敏传感器是最常见的传感器之一,它的种类繁多,主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD 和CMOS 图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测,它还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一,它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻,当光子冲击接合处就会产生电流。

[扩展阅读2] 晶体三极管:

三极管内部为由P 型半导体和N 型半导体组成的三层结构,根据分层次序分为NPN 型和PNP 型两大类。NPN (一般为硅管)和PNP (一般为锗管) 上述三层结构即为三极管的三个区, 中间比较薄的一层为基区,另外两层同为N 型或P 型,其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区,另一层则为集电区。晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:锗管和硅管。而每一种又有NPN 和PN P 两种结构形式,但使用最多的是硅NPN 和锗PNP 两种三极管,如下图:

两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的。下面仅介绍NPN 硅管的电流放大原理。

对于NPN 管,它是由2块N 型半导体中间夹着一块P 型半导体所组成,发射区与基区之间形成的PN 结称为发射结,而集电区与基区形成的PN 结称为集电结, 三条引线分别称为发射极e 、基极b 和集电极c 。 当b 点电位高于e 点电位零点几伏时,发射结处于正偏状态,而C 点电位高于b 点电位几伏时,集电结处于反偏状态,集电极电源Ec 要高于基极电源Ebo 。

在制造三极管时,有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的,同时基区做得很薄,而且,要严格控制杂质含量,这样,一旦接通电源后,由于发射结正偏,发射区的多数载流子(电子)极基区的多数载流子(空穴)很容易地越过发射结互相向对方扩散,但因前者的浓度基大于后者,所以通过发射结的电流基本上是电子流,这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄, 加上集电结的反偏,注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic ,只剩下很少(1%~10%)的电子在基区的空穴进行复合,被复合掉的基区空穴由基极电源Eb 重新补给,从而形成了基极电流Ibo. 根据电流连续性原理,得到: Ie=Ib+Ic

这就是说,在基极补充一个很小的Ib ,就可以在集电极上得到一个较大的Ic ,这就是所谓电流放大作用,Ic 与Ib 是维持一定的比例关系,即:

β1=Ic/Ib

式中:β1称为直流放大倍数,

集电极电流的变化量△Ic 与基极电流的变化量△Ib 之比为:

β= △Ic/△Ib

式中β称为交流电流放大倍数,由于低频时β1和β的数值相差不大,所以有时为了方便起见,对两者不作严格区分,β值约为几十至一百多。

三极管是一种电流放大器件,但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用,通过电阻转变为电压放大作用。

三极管放大时管子内部的工作原理:

1.发射区向基区发射电子

电源Ub 经过电阻Rb 加在发射结上,发射结正偏,发射区的多数载流子(自由电子)不断地越过发射结进入基区,形成发射极电流Ie 。同时基区多数载流子也向发射区扩散,但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度,可以不考虑这个电流,因此可以认为发射结主要是电子流。

2.基区中电子的扩散与复合

电子进入基区后,先在靠近发射结的附近密集,渐渐形成电子浓度差,在浓度差的作用下,促使电子流在基区中向集电结扩散,被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic 。也有很小一部分电子(因为基区很薄)与基区的空穴复合,扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。

3.集电区收集电子

由于集电结外加反向电压很大,这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散,同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn 。另外集电区的少数载流子(空穴)也会产生漂移运动,流向基区形成反向饱和电流,用Icbo 来表示,其数值很小,但对温度却异常敏感。

[扩展阅读3] 发光二极管:

发光二极管简称为LED 。由镓(Ga )与砷(AS )、磷(P )的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管,在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能,常简写为LED 。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN 结组成,也具有单向导电性。

[教师总结] 分析路灯自动控制模型中的各部分组成及工作过程。

(三)能力展示

[思考] 分析音乐喷泉的工作过程,并画出音乐喷泉的电子控制系统的方框图。

(四)课堂小结

本节我们从对比分析两种路灯控制系统的基本组成入手,再通过搭接一个路灯自动控制的电子模型,同学们要知道电子控制系统的基本组成,并能用方框图分析生活中常见的电子控制系统的工作过程。

(五)课后思考

电子控制系统内部常见电子元件的工作原理,对于学生是弱项,教师在本节要加以引导,以利于学生对电子控制系统内部工作过程的理解。


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