CN2343639Y

CN2343639Y - 电流模拟演示仪

Info

Publication number: CN2343639Y
Application number: CN 98243442
Authority: CN
Inventors: 杜海全
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 1999-10-13
Anticipated expiration: 2008-09-17

Abstract

本实用新型为教学用电流模拟演示仪,其演示板上设有可以活动的电源、灯泡、开关以及由三组或四组发光器件相互间隔地排列构成的象征性导线。其控制电路是三路输出或者四路输出的可以正逆向循环的时序电路,它可使发光器件轮流发光,产生流动感,模拟演示导体导电的微观图景和电流方向,且电流方向总是从活动电源的正极流出,最后又流入负极的。其优点在于直观形象说服力强,相关技术成熟,工作稳定可靠,非常适合中小学教学。

Description

电流模拟演示仪

本实用新型名称为电流模拟演示仪，是一种教具，它利用电子电路显示导体导电的微观图景和电流方向。

电流是电路中一个非常重要的概念，传统的教学方法中教师只能通过抽象的描述并借助于诸如水流等形象的比喻讲解电流这一概念，学生在学习过程中无法直接观察到电路中的电流及其方向，学习电流及有关知识困难较大。申请人于1989年受舞台流水灯启发，制做出具有三路输出的电源可活动的晶体管式“电流模拟演示仪”。1994年《无线电》杂志第8期发表了“直流电流方向演示仪”，具有三路输出，集成电路结构、交流供电，但其演示电源不能活动，电路结构复杂，功能不多。1997年3月6日，申请人的三路输出的电源可活动的“电流模拟演示仪”获实用新型专利权，(专利号ZL95225382.8，申请日：1995年11月16日)。前两者都具有用移动的发光点表示电流的特点。现在申请人就设计制做出的具有多路输出的、演示电源可活动的采用集成电路的“电流模拟演示仪”，提出新的实用新型申请。

本实用新型的设计者就是上述实用新型的设计者，本实用新型较上述实用新型，工作电路更加稳定可靠，显示的流动感更强。

本实用新型的目的在于为中小学提供一种新型教具电流摸拟演示仪。

本实用新型所采用的技术方案是：该演示仪由演示板，控制电路及其电源组成，其中演示板上有三组、4组或者多组发光器件，相互间隔地排列构成的象征性导线，可以活动的外接电源和用电器、开关。其中控制电路是一个时序电路，它可以按一定的顺序，给接于其输出端的负载提供工作电流。时序电路可以由三个、四个、或五个甚至更多的输出端可以编排。演示板上的发光器件就是时序电路输出端的负载，如：演示板上有三组发光器件，相应的时序电路就采用三个输出端，演示板上有四组发光器件，相应的时序电路就采用4个输出端等等。现有公开技术和电子器件中，时序电路很多，可以采用晶体管组成的，也可以采用集成电路的，可以借鉴现有技术中的各种时序电路。上述时序电路可以通过双联开关实现逆向输出。演示板上的象征性导线中串联着外接电源，又叫演示电源，它安装在一个可以转动的转盘上，组成演示板的极重要的一部分，转盘上有醒目的“十一”字样，让学生能清楚地看到电源的极性。转盘内有动、静触头组成的电源对接开关，其功能是当转盘转到外电源的两极与象征性导线对上接口时可靠接通，偏离这个位置都不能接通。所述象征性导线中又串联有表示电路负载的灯泡、开关等，演示板之外还有电源，以补充电能不足。

电路工作过程中，灯泡亮表示电路中有电流，发光器件按一定顺序轮流发光，由于视觉效应，观察者觉得象征电荷的发光点在移动，显示出电流的方向，若将转盘转过180度，转盘上的电源相对于象征性导线以相反的极性接入电路，由于开关与转盘的联动作用，使电路负载通断电的分配顺序实现逆向输出，使观察者觉得电流方向也随着发生了改变，强有力地显示出，电流总是从电源正极流出经外电路最后又流入电源负极。调整电路中的电位器，可以调整发光器件的闪烁频率，获得适宜的流动速度，可以达到最好的演示效果。表示电荷的发光器件可以是普亮度发光二极管，高亮度发光二极管，或者别的电致发光器件。

本实用新型的优点在于工作稳定可靠，相关技术成熟，说服力强，可以形象而直观地显示出电流的形成，电流的方向，电流方向与电源极性的关系，演示电路、通路、断路，演示电源的作用，闭合电路的作用，一般的绝缘体、导体和半导体的导电性等，非常适合中小学教学。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

图1：本实用新型的正面外形结构图。

图2：本实用新型一种实施方案的电路图。

图3：本实用新型另一种实施方案的电路图。

实施例1：本实施例所述的电流模拟演示仪由演示板1控制电路和电源E1组成，其正面外观结构如图1所示，其中演示板1为一矩形板，2为演示板上的转盘，其上装有演示电源E2，演示板上还装有作为电路负载的灯泡L，开关K1，以及由三组电致发光器件相互间隔排列组成的象征性导线3，它将演示电源E2，灯泡L、开关K1串联起来构成演示电路。本例所采用的发光器件选用半导体发光二极管。本例中所用的外接电源E2为2节电池，它利用转盘2安装在演示板1上，转盘2的内部设有两个或者4个动触头，该两触头相对于转盘2的转动轴心对称，该两触头分别与演示电源E2的两极相连，同时在演示板内部相应的位置处设有两个或四个静触头，从而构成开关K2K3。开关K2和K3又叫电源对接开关，它的触头设置在绝缘材料上，只有当转盘转到演示电源的两极与象征性导线对上接口时，K2、K3才接通，偏离这个特定位置都接不通。该实施例的电路结构如图2所示，控制电路是由IC1、IC2及其外围元件组成，其中IC1为一片时基集成电路555，其周围的R1、R2、Rw、C1、C2与其组成常见的脉冲振荡器。振荡频率由R1、R2、Rw、和C1决定，调整Rw可调整振荡频率，C2的作用是防止外部干扰，使电路稳定工作。IC1的第3脚输出频率可调的稳定的时钟脉冲信号。IC2为CD4017是一片CMOS十进制计数译码器，其外围元件有C3、R3，其中C3R3的作用是电路在通电瞬间有一经C3R3微分正脉冲作用于CD4017的清零端15脚，进行预清零。时基电路555第3脚输出的时钟脉冲，输入到4017的正脉冲输入端第14脚，在其第3、2、4、7脚分别输出时序脉冲，当第7脚输出高电平时，使得4017清零，所以只能在第3、2、4、脚向外输出周而复始地循环的顺序脉冲。这些脉冲经R4、R5、R6限流后，注入三极管的基极，使三极管VT1、VT2、VT3轮流导通，从而使相应的负载发光二极管组LED组1、LED组2、LED组3轮流发光，产生的流动光点，表示正电荷，其流动方向表示电流方向，串在其公共端的小灯泡L则持续发光，可演示出有电流通过用电器。

本例所述的演示仪的工作过程是：在转盘上的电源与导线对上接口的情况下，接通开关K1，电路开始工作，演示板上的灯泡L被点亮，象征性导线上的发光二级管组所发光点产生定向运动，且运动方向是从外接电源的正极流出的，这些光点象征着电荷，可以模拟性地演示导线中电荷运动的微观图景，给学生演示和讲解电流的形成，电流的方向。将转盘旋转180度，由于K2K3K4与转盘的联动作用，外部电池以不同的极性串入象征性导线中，对实际电路则是重新又接通，只不过三只三极管中的任意两只，例如：VT1和VT2与它们的负载LED组1、LED组2，实现了相互对调，它们显示出的光点的移动方向就会与初始状态的相反，演示出的电流方向也相反了，如此可反复演示，有力地说明电流方向与电源极性的关系，即电流总是从电源的正极流出，经外部电路，又流回电源的负极中去。如果拆下灯泡或者断开开关K1，或者转动一下转盘使外接电源与象征性导线对不上接口，都会造成控制电路断路，所有的发光二极管和灯泡均会停止发光，可以形象地演示出断路现象和闭合电路的作用，以及负载在电路中的作用。若灯泡完好且接触良好K1也闭合，仅拆下外接电源，或转动转盘使外接电源与导线对不上接口，也会使控制电路断路而不工作，所有的发光二极管和灯泡都不亮，可以说明电源在电路中的作用。在开关K1的两端搭接一般的绝缘体、导体和半导体，还可以演示出绝缘体不导电、导体导电和半导体的单向导电性。

实施例2：本实施例中的电路结构如图3所示。其电路工作原理，仪器功能，演示方法与实施例1相同，方案上的不同之处是显示光点的发光二极管分为4组，电路结构上，多用了一片CMOS十进制计数译码器IC3及其外圈元件。采用的技术方案是IC1555产生的时钟脉冲，有时只让计数译码器IC2工作，有时只让计数译码器IC3工作。IC2的任务是使演示板上的发光器件实现逆时针流动发光，IC3的任务是使发光器件实现顺时针流动发光。IC3的外围结构和功能与IC2的完全相同，C4R8的作用是使IC3预清零，IC2和IC3的第10脚与第15脚清零端相连，完成工作时的清零，使它们只产生由第3、2、4、7脚输出的4路顺次导通得电的工作循环。R7、VT4用来带动第4路发光二极管组LED组4。C5接于IC1的3脚与地之间，电容C6接于靠近集成电路的电源输入端和地之间起抗干扰作用，能使电路稳定可靠地工作。二级管D1和D8的阴极并联接于R4的一端，二极管D2和D7的阴极并联接于R5的一端，二极管D3和D6的阴级并联接于R6的一端，二极管D4和D5的阴极并联接于R7的一端，二极管D1、D2、D3、D4的阳极分别接在IC2的第3、2、4、7脚，二极管D5、D6、D7、D8的阳极分别接在IC3的第3、2、4、7脚，这些二极管对前级IC2和IC3起隔离电流的作用，对后级的三极管起或门作用，这样的电路结构可以实现在IC1的时钟脉冲输入时，当IC2工作时三极管是按VT1、VT2、VT3、VT4的顺序轮流导通的，当IC3工作时，三极管是按VT4、VT3、VT2、VT1的顺序轮流导通的，从而可以显示出象征电荷的光点的两种不同流向。K4为一只双刀双掷开关，执行着正逆向循环输出的转换任务，又叫双联换向开关，其中一只开关的公共端与电源相连，另两端分别与IC2和IC3电源输出端16脚相连。K4的另一只开关的公共端与IC1的输出端3脚相连，另两端分别与IC2和IC3的14脚正脉冲输入端相连。K4与转盘、外部电源E2以及K2K3联动。闭合K1转动转盘使外接电源的左端为正，右端为负(见图1)，且与象征性导线对上接口时，这时K4也接通，且只与IC2接通，即K4的右边开关将电源引入IC2的电源输入端16脚，K4的左面开关将555产生的时钟脉冲送至IC2的正脉冲输入端14脚，IC3因无电源输入和脉冲信号输入而不工作。IC2正常工作VT1、VT2、VT3、VT4顺次得电导通，接于其上的负载发光管组LED组1、LED组2、LED组3、LED组4也相应顺次轮流闪光，演示出的电流方向是逆时针的。当把转盘转动180度使外接电源呈右正左负的接入演示电路中时，K4也同时完成了切换，IC2失电停止工作，IC3得电得脉冲信号而正常工作，三极管VT4、VT3、VT2、VT1，顺次获得基极电流导通，接于其上的负载发光管组LED组4、LED组3、LED组2、LED组1也相应地顺次轮流闪光，演示出的电流方向是顺时针的。重复这两种演示，有力地说明电流总是从电源的正极流出，最后又流入负极中去的。其余工作原理和演示方法与实施例1完全相同。较之实施例1，实施例2演示出的流动性更强，效果更好。

现有技术中，类似的控制电路很多，可以借鉴，电路中的元器件，可以用功能相同的元器件或电路代替。K2或K3的其中之一，在不影响功能和质量的情况下可用一条软导线代替。每组发光显示器件的连接方式是：由若干个发光器件小组并联而成，每一个小组又由若干个发光器件串联而成，其组合原则是即可以使全部发光器件都能正常工作，又可使电源能正常工作。

Claims

1、一种电流模拟演示仪，由演示板(1)、控制电路、电源等组成，其特征在于演示板(1)上设有可以活动的外接电源(E2)和由3组、4组、5组或多组发光器件相互间隔地排列构成的象征性导线(3)以及用电器(L)和开关(K1)，象征性导线将用电器、外接电源、开关串联起来，组成演示电路；其控制电路是具有3路、4路、5路或多路输出的，可以正、逆向循环输出的时序电路；仪器工作时，演示板上的用电器(L)持续发光，表示电路中有电流，演示板上的发光器件在控制电路的控制下，轮流发光，使观察者产生许多发光点的流动感，可以模拟演示导体导电的微观图景和电流方向；其外接电源(E2)安装于转盘(2)上，转盘上电源旁有醒目的“+、-”字样，构成演示板的组成部分；旋转转盘(2)可使外接电源(E2)以不同的极性串入象征性导线(3)中，转盘与控制电路中的双联换向开关(K4)通过联动，可使显示出的发光点的流动方向，总是从外接电源的正极流出，经外电路流入负极的。

2、如权利要求1所述的电流模拟演示仪其特征在于演示板上有由发光器件排列构成的象征性导线(3)串联着外接电源(E2)、用电器(L)、开关(K1)组成的演示电路。

3、如权利要求1所述的电流模拟演示仪其特征在于所述的构成象征性导线的发光器件在工作时是轮流循环发光的。

4、如权利要求1所述的电流模拟演示仪，其特征在于外电源(E2)安装在转盘(2)上，构成演示板的一部分，旋转转盘可使外接电源(E2)以不同的极性串入象征性导线中，通过转盘以及电源对接开关(K2)、(K3)与决定正、逆向循环输出的双联换向开关(K4)联动和演示板上的发光器件相配合，总可以使得发光点的流动方向总是从外接电源的正极流出，经外电路流入负极的。

5、如权利要求1所述的电流模拟演示仪，其特征在于演示板上的构成象征性导线(3)的发光器件，在工作时，既可以按顺时针的顺序轮流发光，又可以按逆时针的顺序轮流发光，并且通过转盘与控制电路中的双联换向开关(K4)的联动和外接电源(E2)相配合，总可以使得显示出的发光点的流动方向，总是从外接电源的正极流出，经外电路流入负极的。

6、如权利要求1所述的电流模拟演示仪其特征在于构成象征性导线的发光器件，可编为相互间隔排列的3组、4组、或5组；每组的联接方式是由若干个小组并联而成，其中每小组又由若干个发光器件串联而成。

7、如权利要求1所述的电流模拟演示仪，其特征在于构成象征性导线的发光器件，可以选择普亮度发光二极管和高亮度发光二极管，也可以选用别的电致发光器件。

8、如权利要求1所述的电流模拟演示仪其特征在于安装外接电源(E2)的转盘(2)上，电源旁有“+、-”字样。

9、如权利要求1所述的电流模拟演示仪，其特征在于所述的时序电路其中之一的结构是：电阻(R1)接于电源正极和时基集成电路(IC1555)的第(7)脚之间；电阻(R3)和电位器(RW)串联后接于时基电路(IC1)的第(7)脚和第(2)、(6)脚的并联结点之间；电容(C1)的一端与(IC1)的第(2)、(6)脚的并联结点相连，另一端与电源负极相连；电容(C2)接于(IC1)的第(5)脚和电源负极之间；电容(C5)的一端与(IC1)的第(3)脚相连，另一端与电源负极相连；时基电路(IC1)的第(4)、(8)两脚并联后接电源正极，第(1)脚与电源负极直接相连；电容(C6)接于电源正、负极之间；十进制计数译码电路(CD4017)集成块(IC2)和(IC3)的第(16)脚和第(15)脚之间，分别接电容(C3)和(C4)，第(15)脚和第(8)脚之间分别接电阻(R3)和(R8)，第(13)脚和第(8)脚均与电源负极相连；双联换向开关(K4)中的一只开关的公共端与电源正极相连，另两端分别与(IC2)和(IC3)的电源输入端第(16)脚相连，双联换向开关(K4)中的另一只开关的公共端与时基电路(IC1)的输出端第(3)脚相连，另两端分别与(IC2)和(IC3)的正脉冲输入端第(1 4)脚相连；二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)的阳极分别接在(IC2)的第(3)、(2)、(4)、(7)脚，二极管(D5)、(D6)、(D7)、(D8)的阳极分别接在(IC3)的第(3)、(2)、(4)、(7)脚，二极管(D1)和(D8)的阴极并联接于电阻(R4)的一端，二极管(D2)和(D7)的阴极并联接于电阻(R5)的一端，二极管(D3)和(D6)的阴极并联接于电阻(R6)的一端，二极管(D4)和(D5)的阴极并联接于电阻(R7)的一端；三极管(VT1)、(VT2)、(VT3)、(VT4)的基极分别与电阻(R4)、(R5)、(R6)、(R7)相连，发射极分别与电源负极相连，集电极分别与第(1)组、第(2)组、第(3)组、第(4)组发光器件组相连；发光器件组的另一端并联后再串上(L)接电源正极；若演示板上的象征性导线用三组发光器件组成，可省去计数译码电路(IC3)、电阻(R7)和三极管(VT4)、二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)、(D5)、(D6)、(D7)、(D8)，且将(IC1)第(3)脚与(IC2)的第(14)脚直接相连，同时将双联换向开关(K4)改接在两组发光器件与两只三极管的集电极之间，通过(K4)的转换，可以实现两只三极管的负载发光器件组的相互对调；若演示板上的象征性导线用五组发光器件组成，从计数译码电路(IC2)和(IC3)的第(10)脚再引出一路输出端接上二极管和电阻后，控制增加的一只三极管的工作，同时将原来悬空的(IC2)和(IC3)的第(1)脚分别与第(15)脚相连，并且与(IC2)相连的5只二极管和与(IC3)相连的5只二极管的阴极要重新并联，编排组合。现有公开的技术和器件中，类似的时序电路很多，可以参考借鉴，用功能相同的电路和电子器件代替。

10、如权利要求1所述的电流模拟演示仪，其特征在于通过调整控制电路中的电位器(RW)，可以调整控制电路的工作频率和演示板上发光器件的发光节奏，可使仪器在最适宜的频率范围内工作。