CN210722060U - 一种模拟电流动态走向的演示教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟电流动态走向的演示教具，涉及中学物理的电流基础知识和基本原理。该演示教具包括电源模块、控制模块、灯带模块及负载模块四大部分。电源模块主要为整个演示教具提供能量；控制模块是整个演示教具的控制中心，主要用于控制三色灯带中的LED流向、颜色和亮度，并且通过电源输出的两种电流，一种为恒压直流电，另一种为正弦交流电；灯带模块用于模拟流出电源正极和流回电源负极的电流；负载模块主要用来直观区分直流与交流的电流走向以及两者能量差异。该演示教具通过LED灯带的动态效果，可以从视觉上更加直观地观察电流的动态走向及其相关性质，使教学更加形象生动。

Description

一种模拟电流动态走向的演示教具

技术领域

本实用新型涉及电流模拟演示教具技术领域，尤其涉及一种模拟电流动态走向的演示教具。

背景技术

电能是生活中再常见不过的一种能源，电荷的定向移动形成电流，却很难从视觉上直观看出电流的动态走向。

为了方便教师对物理学中电学有一个更加形象的教学，增强学生对电流动态流动的感官印象，因此，本实用新型设计一种模拟电流动态走向的演示教具。利用控制模块控制三原色LED灯带工作，利用流水跑马灯效果模拟带电粒子的移动，实际电路是电源、控制模块接入负载使其形成一个完整回路，从而模拟出电流的定向动态移动，灯带的亮度用于模拟电流的大小、灯带的定向动态移动效果用于模拟电流的方向、灯带的颜色交替变换用于模拟交流电源。能够将电路中的电流直观的展示给学生，具备良好的教学效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种模拟电流动态走向的演示教具，本装置利用控制模块控制三原色LED灯带工作，利用流水跑马灯效果模拟电子的移动，接入负载使其形成一个完整回路，从而模拟出电流的定向动态移动，灯带的亮度用于模拟电流的大小、灯带的定向动态移动效果用于模拟电流的方向、灯带的颜色交替变换用于模拟交流电源。能够将电路中的电流直观的展示给学生，具备良好的教学效果。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种模拟电流动态走向的演示教具，包括电源模块、控制模块、灯带模块和负载模块，电源模块连接控制模块、控制模块连接负载模块组成工作线路，电源模块、控制模块和灯带模块连接组成显示线路。显示电路(明线)覆盖在工作电路(暗线)上，LED灯带流动同步配合负载工作。从效果上看就如同是LED灯带中的LED(电荷模型)驱动了负载工作。

进一步地，所述控制模块包括旁路电容、核心控制电路、系统电源、栅极驱动电路和H桥，旁路电容、系统电源、栅极驱动电路和H桥分别连接核心控制电路。旁路电容用于滤除系统电源中的高次谐波，提高控制模块的工作稳定性。核心控制电路控制系统电源输出恒压5V的直流电或峰值为5V的正弦交流电，目的在于模拟学习和生活中最常用的两种电流，使其更加贴近教学与生活。

进一步地，所述灯带模块为一根三原色可控LED灯带，从中点剪开分成前半段与后半段，再用细导线接上，空出位置长度恰好放置负载模块。灯带接在控制模块上。灯带与负载不连接，但摆放位置看上去相连，在视觉上如同形成完整闭合回路，实际上仅通过程序控制使灯带前半段与后半段的颜色不同，但流向相同。灯带前半段为正回路，后半段为负回路，正回路接入控制模块。

进一步地，所述负载模块为白炽灯、发光二极管或直流电机。进行模拟电流动态演示实验时，每次插入白炽灯、发光二极管或直流电机其中的一个进行电流模拟教学，目的是为了直观区分直流与交流的电流走向区别以及存在的能量差异。

进一步地，所述H桥的接线端子P1和负载模块的接线端子P3插口连接，核心控制电路的接线端子P2和灯带模块的接线端子P4插口连接。

进一步地，所述核心控制电路中，U1为主控芯片，型号为STM32F103C8T6，晶振频率为8MHz；PA4为系统复位键，PA1、PA2、PA3接入三个LED指示灯，分别代表直流模式指示灯，交流模式指示灯和复位指示灯。PB1接灯带数据端，接线端子P2接入灯带模块。控制模块生成SPWM波形，通过SPWM1_H,SPWM2_H,SPWM1_L,SPWM2_L四个端口控制栅极驱动电路2-4的驱动电路。

进一步地，系统电源为控制模块提供能量，U4、U5采用AMS1117的线性稳压芯片，分别产生5V和3.3V的稳定电压。

进一步地，所述栅极驱动电路为H桥内FETMOS的栅极驱动电路，U2采用UCC27211DRMT芯片。

进一步地，所述H桥为FETMOS构成的H桥，从而实现直流到交流的逆变。Q1-Q4采用IPC100N04S51R9ATMA1。接线端子P2接入负载模块。

进一步地，所述接线端子P3为两孔直插孔，所述接线端子P4为三孔直插口，LED灯带的LED灯珠为WS2812B彩色灯珠，电容C的容值为100nF。通过控制模块2实现对LED灯带上每一个灯的定点控制。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

其一：本装置利用控制模块控制三原色LED灯带工作，利用流水跑马灯效果模拟电子的移动，从而模拟出电流的定向动态移动，LED灯带的亮度用于模拟电流的大小、LED灯带的定向动态移动效果用于模拟电流的方向、LED灯带的颜色交替变换用于模拟交流电源。能够将电路中的电流直观的展示给学生，具备良好的教学效果。

其二：本装置可进行直流电流走向和交流电流走向的模拟。进行直流电流动态走向模拟时，LED灯带的亮度用于模拟了工作线路的电流大小，LED灯带的流动方向模拟了工作线路的电流走向，能够将直流电直观地进行模拟，。进行交流电流动态走向模拟时，采用正弦交流电作为输入电流，此时LED灯带的颜色在绿色与黄色之间交替变换，正负回路中LED灯带的亮度随正弦交流电的正负幅值变换而变换，直观的将看不见的电流模拟成了看得见的LED灯带闪烁规律，便于学生识记。

其三：当交流模式工作时，白炽灯能正常工作、发光二极管只有一半时间工作、直流电机正反交替旋转，进一步模拟了交流电的电流规律，有利于物理课堂的探究和规律总结。

附图说明

图1为本实用新型的整体示意图；

图2为本实用新型旁路电容的电路图；

图3为本实用新型核心控制电路的电路图；

图4为本实用新型系统电源的电路图；

图5为本实用新型栅极驱动电路的电路图；

图6为本实用新型H桥的电路图；

图7为本实用新型灯带模块的电路图；

图8为本实用新型负载模块的示意图；

其中：(a)为白炽灯电路示意图；(b)为发光二极管电路示意图；(c)为直流电机电路示意图；

图中：1、电源模块；2、控制模块；2-1、旁路电容；2-2、核心控制电路；2-3、系统电源；2-4、栅极驱动电路；2-5、H桥；3、灯带模块；4、负载模块；5、接线端子P1；6、接线端子P2；7、接线端子P3；8、接线端子P4。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-8所示，一种模拟电流动态走向的演示教具，包括电源模块1、控制模块2、灯带模块3和负载模块4，电源模块1连接控制模块2、控制模块2连接负载模块4组成工作线路，控制模块2和灯带模块3连接组成显示线路。显示电路(明线)覆盖在工作电路(暗线)上，LED灯带流动同步配合负载工作。从效果上看就如同是LED灯带中的LED(电荷模型)驱动了负载工作。

其中，所述控制模块2包括旁路电容2-1、核心控制电路2-2、系统电源2-3、栅极驱动电路2-4和H桥2-5，旁路电容2-1、系统电源2-3、栅极驱动电路2-4和H桥2-5分别连接核心控制电路2-2。旁路电容2-1用于滤除系统电源2-3中的高次谐波，提高控制模块2的工作稳定性。核心控制电路2-2控制系统电源2-3输出恒压5V的直流电或峰值为5V的正弦交流电，目的在于模拟学习和生活中最常用的两种电流，使其更加贴近教学与生活。

其中，所述H桥2-5的接线端子P1(5)和负载模块4的接线端子P3(7)插口连接，核心控制电路2-2的接线端子P2(6)和灯带模块3的接线端子P4(8)插口连接。

其中所述灯带模块3为三原色可控LED灯带，前半段接于控制模块2，后半段与前半段用细导线相连。灯带模块3为一根三原色可控LED灯带，从中点剪开分成前半段与后半段，再用细导线接上，空出位置长度恰好放置负载模块。灯带接在控制模块上。灯带与负载不连接，但摆放位置看上去相连，在视觉上如同形成完整闭合回路，实际上仅通过程序控制使灯带前半段与后半段的颜色不同，但流向相同。灯带前半段为正回路，后半段为负回路，正回路接入控制模块。

其中，所述负载模块4为白炽灯、发光二极管或直流电机。进行模拟电流动态演示实验时，每次插入白炽灯、发光二极管或直流电机其中的一个进行电流模拟教学，目的是为了直观区分直流与交流的电流走向区别以及存在的能量差异。

其中，所述核心控制电路2-2中，U1为主控芯片，型号为STM32F103C8T6，晶振频率为8MHz；PA4为系统复位键，PA1、PA2、PA3接入三个LED指示灯，分别代表直流模式指示灯，交流模式指示灯和复位指示灯。PB1接灯带数据端，接线端子P2(6)接入灯带模块3。控制模块2生成SPWM波形，通过SPWM1_H,SPWM2_H,SPWM1_L,SPWM2_L四个端口控制栅极驱动电路2-4的驱动电路。

其中，系统电源2-3为控制模块2提供能量，U4、U5采用AMS1117的线性稳压芯片，分别产生5V和3.3V的稳定电压。

其中，所述栅极驱动电路2-4为H桥2-5内FETMOS的栅极驱动电路，U2采用UCC27211DRMT芯片。

其中，所述H桥2-5为FETMOS构成的H桥，从而实现直流到交流的逆变。Q1-Q4采用IPC100N04S51R9ATMA1。接线端子P2接入负载模块4。

其中，所述接线端子P3(7)为两孔直插孔，所述接线端子P4(8)为三孔直插口，LED灯带的LED灯珠为WS2812B彩色灯珠，电容C的容值为100nF。通过控制模块2实现对LED灯带上每一个灯的定点控制。

需要说明的是，本实用新型为一种模拟电流动态走向的演示教具，可进行直流电流走向和交流电流走向的模拟。本教具的意义更加偏重于教学，仅作为模型参考，与实际工作中的电流走向依然存在偏差。三原色LED灯带本身也是用电器，仅作为模拟电路。

当控制模块2选择直流模式时，控制模块2中直流模式指示灯亮，并发出恒压直流电。进行直流电流动态走向模拟时，为了保护眼睛不受强光干扰，优选为恒定电流作为输入电流，因此模拟时直流电大小不变，也即LED灯带的亮度保持不变。当直流模式工作时，接入电路的负载模块4(白炽灯、发光二极管或直流电机)能够正常工作。此时LED灯带的亮度用于模拟了工作线路的电流大小，LED灯带的流动方向模拟了工作线路的电流走向。

当控制模块2选择交流模式，控制模块2中交流模式指示灯亮，并发出正弦交流电。进行交流电流动态走向模拟时，采用正弦交流电作为输入电流，此时LED灯带的颜色在绿色与黄色之间交替变换，正负回路中LED灯带的亮度随正弦交流电的正负幅值变换而变换。例如，当电流大小处于正波峰时，正回路中LED灯带发出最亮绿色，负回路中LED灯带发出最亮黄色；反之当电流处于负波峰(波谷)，正回路中LED灯带发出最亮黄色，负回路中LED灯带发出最亮绿色。LED灯带亮度渐变的过程即为模拟交流电电流幅值的变化过程。而灯带中LED灯带流动方向也在正负回路灯带间交替变换。当交流模式工作时，白炽灯能正常工作，发光二极管只有一半时间工作，而直流电机正反交替旋转。由此可以从视觉上更加直观地观察电流的动态走向及其相关性质，使教学更加形象生动。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种模拟电流动态走向的演示教具，包括电源模块、控制模块、灯带模块和负载模块，其特征在于：电源模块连接控制模块、控制模块连接负载模块组成工作线路，控制模块和灯带模块连接组成显示线路。

2.根据权利要求1所述的一种模拟电流动态走向的演示教具，其特征在于：所述控制模块包括旁路电容、核心控制电路、系统电源、栅极驱动电路和H桥，旁路电容、系统电源、栅极驱动电路和H桥分别连接核心控制电路。

3.根据权利要求1所述的一种模拟电流动态走向的演示教具，其特征在于：所述灯带模块为一根可控三原色LED灯带，接在控制模块处，并将灯带从中剪开用细导线重连，空出位置贴入负载模块，负载模块与电源暗线相连，而不与灯带模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种模拟电流动态走向的演示教具，其特征在于：所述负载模块为白炽灯、发光二极管或直流电机。

5.根据权利要求2所述的一种模拟电流动态走向的演示教具，其特征在于：所述H桥的接线端子P1和负载模块的接线端子P3插口连接，核心控制电路的接线端子P2和灯带模块的接线端子P4插口连接。

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