Jade Dungeon

简单电路例子

无线LED灯珠

CD43 680UH 680微亨印字:681绕线贴片功率电感4.5*4*3.2mm非屏蔽
贴片LED

「关闭开关」后开启晶体管电路

470kΩ的电阻防止过大的电流烧坏LED。
减少施加给晶体管基级的电压。

在开关连通的情况下：

晶体管的基极通过10kΩ的电阻连接到电源的正极（9V），同时又电压会通过开关和1kΩ电阻连接到电源负极（0V）。
因为负极这边电阻更小，晶体管基极电压电压通过这边释放到负极。晶体管基极的电压更接近负极（0V）而非正极（9V），低于晶体管导通阈值。因此，晶体管只能通过很小的电流，LED 也没有足够的电压来点亮。
如果调节负极这边的电阻值越接近正极这边，晶体管基极累积的电压越高，晶体管射级放出的电流也越大。电源负极这边使用1kΩ的电阻正好不够LED发光。

在形状断开的情况下：

晶体管基级与电源负极断开，电压无法释放到电源负极。
晶体管基极电压升高，射级输出电流放大点亮LED。

应用场景：「光控灯」

改进为光控灯，在光线暗时自动开灯。把电源负极这边开关与1kΩ电阻换成光敏电阻：

应用场景：门窗报警

用多个开关表示门窗开关，只有一个处断开就发出警报。
把发光效果改为通过继电器控制报警器。因为继电器并不需要对电源进行防护，除去了 470 Ω 的电阻和 LED换上了一个继电器。

修改效果：

因为继电器产生磁力会消耗电力，所以继电器由晶体管控制。只有报警时才晶体管给继电器线圈供电打开报警器。
只要所有的按钮开关保持闭合，晶体管的基极电压就较低，晶体管就不向继电器线圈提供电能。

改进：自锁式继电器

目前搭建的电路可以在任何传感器开关断开时激活报警器；但是感器关闭时晶体管基极电压重新变低，会关闭了报警器。

一种实现方法是使用「自锁继电器」，它保持一种状态（不是断开，就是闭合），只需提供电能就可转换到另一种状态。但是自锁继电器有两个线圈，当你想关闭警报器时，需要有另外的电路解锁存。

实际上，使用非自锁式继电器更容易。

继电器在接受了少量电能后，保持导通的方法，就是继电器输出接回磁线圈的输入。要继电器的触点闭合，线圈会通过自己的触点通电：

但是怎样才能让电路停止呢？方法是断开电源，继电器会回到默认位置，等你下一次接通电源时，它又在待命模式上了。

改进：二极管防反向电压

这个方案还不完整。因为继电器磁线圈连接着晶体管的射极，晶体管两端施加反向电压会损坏晶体管，所以要加上1N4001二级管防止有反向电压：

改进：二极管损耗的电压

晶体管两端要有约 0.7 V 的压降，而二极管两端也要有约 0.7 V 的压降，一共 1.4 V。它们的压降是固定的，无论电源电压是多少。

假设额定电压为 9 V 的继电器可以在 7.6 V 的电压下正常工作。使用的是 9 V 直流电源扣除 1.4 V 难以接受。

所以想出更好的方法让继电器形成自锁。

问题在于当一个任务由两个元件承担时，会互相干扰。报警器的控制任务由晶体管和继电器两个元件承担：

晶体管开启报警器，之后就阻断电流，无事可做了
而继电器的任务就是保持自身锁定。

更好的方案应该是让一个元件控制其他所有元件，即保持晶体管的控制作用。晶体管应当保持自身导通，而只要它处于导通状态，继电器也将保持导通。

修改电路只需用到继电器的第二个极的触点（通常为闭合状态）将串联传感器接地：

只要晶体管基极连接负极一系列连接不中断，基极电压就足够低，阻止电流通过。
断开了一个传感器开关，晶体管基极不接地，晶体管因而激活了继电器。
继电器闭合左侧的触点，启动报警器，但是继电器也断开了右侧的触点。
因为继电器右侧的触点断开，并切断了与电源负极之间的连接。晶体管继续导通电流，而继电器保持激活再次闭合传感器开关。

这样问题就解决了。

改进：二极管防护线圈的反向电涌

在接通电源后，线圈储存电能，而切断电源后，线圈释放电能。电能的释放会产生浪涌电流，可能会损害某些元件，尤其是半导体。

因此，标准流程是在继电器线圈两端并联一个保护二极管：

二极管采取了图中的连接方向，以阻碍电流的流通，强迫其流入继电器线圈。
当电流消失，线圈试图释放反向电能时，二极管在中间方向上的阻值很小，把电流分流到二极管这里，不波及其他元件。

二极管采取的连接方向应当使其阻碍正常流通的电流，却导通线圈产生的反向电流。

如果使用的是一个很小的继电器，它的线圈很小，不会产生太大的电流，你也可以不并联保护二极管。但是，使用保护二极管是良好的习惯。

面包板设计图

没有报警用的噪音发生器，用 LED 代替。底下省略开关了，拿两钢丝连一起：

简单振荡电路

下图是一个简单的振荡器电路，其中的电压会周期性地循环变化。红框中的不属于振荡电路，是用来显示振荡电路输出电压变化效果的。

连接电源后，振荡电路输出的电压变化会让LED周期性地点亮再熄灭，间隔大约一秒钟：

这个电路的工作原理：

振荡电路的结构是对称的。意味着左右两部分都有相同的功能，但它们不是同时运行的。电压一直在波动，一半电路点亮LED时，另一半电路熄灭 LED。
在理想情况下，振荡电路中左右两边完全相同，电路的初始化就会对称。但是事实上，电阻器和电容器总会存在一些制造误差，使得总有一个晶体管比另一个晶体管提前导通。电路就失去了平衡，从而出现的振荡现象。
振荡电路包含两个晶体管，每个的集电极前的电阻都比基极的电阻小100倍速。所以基极上的电压升高速度比集电极慢很多。
电容耦合现象。电容器一侧的电压突降，在另一侧也产生了相同的电压突降。

晶体管的以下基本特性：

当基极流入的电流「导通」晶体管时，晶体管的有效内阻就降到很低。因此，如果射极接地，其电压接近 0 V，那么集电极上的电压也将接近 0V，与集电极直接相连的任一元件电压也会降到 0 V。基极的电压也可以降到很低，但只要高于射极电压。你可以在步骤 1 中观察到 Q2发生的现象。
当晶体管「阻断」时，它的有效内阻升高到至少 5 kΩ。因此，任何连接到晶体管集电极的元件都不再通过晶体管接地，而获得了正电压。

分步讲解

用颜色标记导线的状态：

黑色导线和元件的电压未知或不确定。
蓝色导线上的电压接近于零。
红色导线上的电压正在升高，接近电源电压。
由于电容耦合，白色导线上的电压短时间降到更低（低于接地端）。

用颜色标记晶体管的状态：

灰色的晶体管集电极至射极之间电流不导通。
粉色的晶体管正在导通。

晶体管分别标记为 Q1 和 Q2，这是标记晶体管的一般方式。老式金属罐晶体管上突出的小标签使它从上面看起来就像一个字母 Q，因而人们就养成了用字母 Q 标记晶体管的习惯。

为了区别电路的左右两侧，我把左侧的电阻器标记为 r1 和 R1，右侧的电阻器标记为 r2 和 R2。小写字母标记阻值较低的电阻器。

第一步

假设 Q1 刚刚阻断，Q2 刚刚导通。
r1 的末端通过 Q1 接地，但是现在 Q1 已经阻断，其集电极上的电压已经开始升高，从而也升高了 C1 左侧的电压。
因为Q1 基极前面的电阻 R2 的阻值比集电极前的电阻 r1 大。所以基极上的电压也开始升高，但是速度不如集电极快，
同时，由于 Q2 已经导通，它正在从 r2 吸收电流，从而使电压下降。 Q2 的基极也正在吸收电流，通过晶体管流向负极。

第二步

Q1 基极上的电压上升到了足够高的值，开始导通。它正在通过 C1 和基极吸收电流，因此与之相连的导线现在为蓝色。
由于位移电流效应，C1 左侧电压的突然变化暂时引起了 C1 右侧电压的同等下降。实际上，C1 右侧的电压被拉低到了 0 V 以下，用白色导线表示。
C1 右侧电压的瞬间下降引起了 Q2 基极上的负向偏置，从而立即阻断了 Q2。

第三步

步骤3中，Q1 仍然导通，Q2 仍然阻断。此图是步骤 1 的镜像。 C1 开始通过 R1 反方向充电，它正在逐渐抬升 Q2 基极的电压。

第四步

Q2 基极上的电压上升到了足够高的值，开始导通。它正在通过 C2 和基极吸收电流，因此与之相连的导线现在为蓝色。
这一变化使得 C2 左侧的电压拉低到 0V 以下，用白色导线表示。
C2 右侧电压的瞬间下降引起了 Q1 基极上的负向偏置，从而立即阻断了 Q1。

到这时，电路的状态状态和第二步正好为左右相反的镜像。

下一步就是回到第一步并重复。若像一开始接入晶体管电阻和LED， LED 应当在第1步和第4步中点亮。

耦合电容器

这个电路的关键在步骤 2 和步骤 4 中，电容器一侧的电压突降，在另一侧也产生了相同的电压突降。就是你在电容耦合实验中验证的耦合作用。

输出电压脉冲

我需要解释的另一个问题是，如何决定在振荡器电路的哪个部位获取输出？在原电路中，请注意 r1 和 r2 的电阻远低于 R1 和 R2。这会使 C1 的左侧极板迅速充电，直至接近电源电压，C2 的右侧极板也一样。

因此，我们可以从这两点中的任意一点测得幅度范围很大的电压。我选择了左侧的测量点，原因很简单：在这个点上向电路图添加元件更容易。

如果振荡电路输出的电流过大，那么留给振荡电路里面的电容器的充电速度将会减慢，进一步影响振荡器的时间设置和平衡。因此，我将输入信号通过一个 100 kΩ 的电阻器输入到另一个晶体管的基极。另一个晶体管的基极电流很小，但它会放大信号，所以你可以用晶体管做一些有用的事情。

修改输出的脉冲

目前振荡电路输出的脉冲作用到外面的LED上一亮一灭变化很突然，说明输出的波型很陡峭。

可以进一步修改这个输出脉冲，让波动变化得来平缓。LED的亮与暗之间有渐变的效果，像是电子产品上好看的呼吸灯一样。

修改的方案是通过RC组合（电容与电阻的组合在一起，电阻可以控制电容的充电速度）：

之前LED前是一个1000Ω的电阻，现在拆分成两个 470Ω的，加起来960Ω。少了60Ω不会烧坏LED。
给LED并联一个 220 μF 的电容，前面有一个470Ω电阻控制充电速度。

电容的充电速度以「时间常量」函数计量：

\[ T = R \times C = 470 \Omega \times 0.00022 \mu F = 0.1034 \]

LED的电源是外面的晶体管。晶体管的集电极是电源的9V，而连通状态是由振荡电路输出脉冲到外面晶体管的基级控制的。所以晶体管射极的电压是小于9V的。

那么假设输入电压是9V，电容的一个时间常量为大概0.1秒。即0.1秒时间可以增加剩下空余0.63%的电量，那么要0.6秒接近9V：

0.1秒：\(V_{NEW} = 0 + [0.63 \times (9 - 0 )] = 5.67V\)
0.2秒：\(V_{NEW} = 5.67 + [0.63 \times (9 - 5.67)] = 7.77V\)
0.3秒：\(V_{NEW} = 7.77 + [0.63 \times (9 - 7.77)] = 8.54V\)
0.4秒：\(V_{NEW} = 8.54 + [0.63 \times (9 - 8.54)] = 8.83V\)
0.5秒：\(V_{NEW} = 8.83 + [0.63 \times (9 - 8.83)] = 8.94V\)
0.6秒：\(V_{NEW} = 8.94 + [0.63 \times (9 - 8.94)] = 8.98V\)

当然电容不一定要充满9V就可以给LED和470Ω的电阻供电了，充到什么时候可以给LED供电关系到LED什么时候开始亮和亮度是多少。这个就不计算了，反正LED可以渐变变化了。

焊接呼吸灯到电路板上

修改振荡的速度

修改振荡内部的两个电容的容量，就可以改变振荡的速度：

电容器缩小10倍。从 3.3 μF 改为0.33 μF。振荡的速度对应提高10倍，LED 的闪烁速度也会提高 10 倍。
电容器缩小100倍。从 3.3 μF 改为0.01 μF。振荡的速度对应提高330倍，约每秒50次（50HZ）。

修改振荡内部的较大电阻的阻值，也可以改变振荡的速度：

R1和R2从470kΩ改为220kΩ（或是中间的其他值）
晶体管每秒开关信号的次数可达一百万次，因为振荡器频率的提高肯定不会超越晶体管的速度。

50HZ已经是耳可以听到的频率了，每秒钟振荡一万次的信号听起来已经音调很高了，每秒两万次就超出了几乎所有人耳的听觉范围。

简单扬声器电路

扬声器要有不断振动的脉冲来发出声音，所以要配合振荡电路使用。

耦合电容

可以把振荡电路输出后的LED、电容和电阻电路改成扬声器电路：

扬声器前方串联100 μF电容。因为电容耦合效应，电容器阻碍了持续不断的直流分量信号，只允许变化的脉冲信号分量或交流分量（交流电是在正负之间迅速变换的一连串脉冲，所以电容器会允许它通过）通过。
外面再并联1kΩ电阻电阻器把晶体管的射极接地，因为晶体管只有在射极的电压确定低于基极电压时才能工作。

这里使用电容的目的不是为了利用它的耦合特性，所以把这种电容称为「耦合电容」。

电容越小器能够通过的脉冲频率越高（又阻碍低频也越高）：

用一个 1 μF 的耦合电容器取代了原先的 100 μF 电容器。电容减小后只能通过较高的频率，从而使声音失去一些低音共振。共振的改变影响到声音上就是音乐的改变：

旁路电容

扬声器两端并联一个电容，会出现相反的情况，因为电容器仍然通过高频信号，却让它们绕过了扬声器。这个电容器的作用就是旁「路电容器」：

一个振荡电路控制另一个振荡电路

恢复振荡电路到最开通元件值，电路就以原来的速度缓慢运行。

然后，使用电路的输出给面包板上的复制电路提供电能，复制电路使用 0.01 μF 的电容器，用来产生音频。

如下图所示，电路中原有的元件画成了灰色，音频部分在最底端：

标记为 A 的红色导线改变了位置，以便电路的下半部分从上半部分的输出获取电能。
标记为 B 的红色、蓝色导线是新添加的，用来填补面包板上总线之间的空缺。

进一步调整：

如果改变电路上半部分的容值或阻值来调快电路下半部分的振荡频率，会发生什么呢?
如果你把一个 220 μF 的电容器连接在各点(电路的上半部分和下半部分)和接地端之间，又会发生什么呢?

这样做不会损坏任何元件，所以请你尽情试验。