电子学：第010课：实验 8——继电振荡器

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电子学：第010课：实验 8——继电振荡器

电子学：第010课：实验 8——继电振荡器

实验 8：继电振荡器

在前几个实验中，你使用了带弹簧夹的测试引线，它们有两大优点：你可以迅速连接好电路，也很容易明白电路的连接方式。

但是，你迟早要熟悉一种更快、更方便、更简洁、更通用的电路搭建方法。就是最常用的原型设备：无焊面包板。

20 世纪 40 年代，电路是在平台上搭建的，这些平台看起来确实像可以切面包的案板。导线和元件用钉子或螺母固定到位置上，因为这比固定在薄金属片上容易得多。记住，当时还没有几件塑料产品。（一个没有塑料的世界——你能想象吗？）

如今，“面包板”这一术语指的是一块长 7 英寸、宽 2 英寸、不厚于 1/2 英寸的小板子，如图2-10 所示。它是能快速、简便组装电路的理想系统。唯一的难题是，它在元件之间形成了难以看清的内部连接——但是我有办法帮你应对这些连接。

学习面包板实验的最佳方法是组装电路，这正是你将要进行的实验。这个实验接着上一个，探索更深一步。

需要的物品

• 钳子、剪线钳、剥线钳
• 9 V 电池 1 块
• 电池连接器 1 个
• 面包板 1 块
• 双极双掷 9 V 直流继电器 1 个
• 通用 LED 2 个
• 触摸开关 1 个
• 470 Ω 电阻器 1 个
• 1000 μF 电容器 1 个
• 连接线，至少两种颜色，每种颜色不长于 12 英寸

初学者的电路板

图 2-62 展示了电路板的上半部分，以及我希望你插入面包板的元件。

图 2-62 中，面包板中间是上一个实验用过的继电器。从上方看不见继电器的引脚，因为它们都插在下方的面包板里。我已经展示过引脚的位置，这样你就知道如何放置继电器了（即，连接线圈的引脚在底部）。我也展示过继电器内部的连接方式，提醒你它们的配置如何。开关处于继电器未通电时的位置（“松弛”位置）。

灰色的圆形物体是按钮开关，它更确切的名称是触摸开关。我也展示了它的引脚位置透视视图，这样你就知道应该如何摆放它了。

两个红色的圆形物体是 LED。要确保每个 LED 的长引脚位于图中画加号的一侧。

电阻器的阻值是 470 Ω。插在面包板上，看起来像导线的红色、绿色和蓝色的小段确实就是插在面包板上的导线。下一个任务就是告诉你如何制作这些导线。

2-63面包板元件的表示符号

制作跨接线

建议你自己制作跨接线。制作跨接线的具体流程如图 2-64 所示。首先，从一些连接线上剥下几英寸绝缘层。用左手握住导线（如果你惯用左手，就用右手握住导线）。用另一只手握住剥线钳。合拢剥线钳，让钳刃上标有“22”的小孔夹住导线。拉动剥线钳，它会将导线的绝缘层一起剥除。

下一步，估计一下当导线插在面包板上时，露出的部分有多长。设这一段的长度为 X 英寸。在连接线剩余的绝缘层上量出 X 英寸，将这段长 X 英寸的绝缘层拉到距导线末端约 3/8 英寸的 地方。

使用剪线钳或剥线钳的钳刃剪去移动完毕的X 英寸绝缘层后方 3/8 英寸处的导线。

最后，用钳子在导线的两端各弯出一个整齐的直角，把跨接线插入面包板中。稍等——是不是不太合适？经过一点练习，你就能很快通过目测做出长度适合的跨接线。

通电

最后，你需要用 9V 电池给电路供电。你应该发现，与连接器相连的导线末端是赤裸的焊接线，能够插入面包板上的小孔中。如果不容易插入，试试用钳子尖把导线捅进去。如果依然有困难，可能需要用剥线钳再剥除几毫米的绝缘层。

把导线插入面包板之后，将连接器紧扣在电池上，如图 2-62 所示。只要面包板一通电，左侧的LED 就会亮起。按下按钮，继电器内部的开关会闭合，右侧的 LED 会点亮。祝贺你！你做成了第一个面包板电路。

那么，这个电路为什么能工作呢？

面包板内部结构

图 2-65 展示了面包板内部隐藏的铜线。小正方形表示元件引脚可以插入，与内部的铜线接触。两条长长的竖直铜线，每一条都是总线（bus）。虽然也叫 bus，但它运送的不是旅客，而是电子，因为电源的正负极一般都与总线相连。

我一直将电源正极连接到左侧的总线，电源负极连接到右侧的总线。

有一件重要的事情需要注意：每根总线中间都有两个中断。并非所有的面包板都有这一特点，但是大多数面包板确实如此。这两个中断意在允许你在面包板上不同的位置使用多个电压不同的电源。实际上，我们通常用不到多个电源，而总线上的中断也确实令人恼火，因为你可能会忘记那里还有个中断。当你沿着整块面包板搭建好电路后，可能突然发现中点标记上神秘地断了电，最后你才意识到自己忘记了在总线的中断上搭接跨接线。

在必要的时候，我会提醒你注意这个小细节。

继电器电路揭秘

图 2-66 展示了面包板内部隐藏的铜线。它们在插入面包板的元件之间形成连接。电流的路径呈“之”字形，但是由于铜线的电阻很小，因此线路的长度无关紧要。

如果我把用不到的铜线隐藏起来，只画出连入电路的一部分铜线，也许电路图会更容易理解，如图 2-67 所示。

现在看一看图 2-68 中同一个电路的电路图。我把电路图画得像面包板上的样子，以强调相似性。随着本书内容的深入，我的讲解将更依赖电路图，并期望你能创建自己的面包板电路图，但这还需要一段时间。

为何只有一个 470 Ω 的电阻器来保护两个 LED 呢？因为每次只有一个 LED 点亮。

使电路发出蜂鸣音

下一步是修改电路，使它更有趣。看一看图 2-69 中的新电路图，将它与图 2-68 中的旧版本相比较。你能发现其中的差异吗？在旧电路图中，给线圈供能的按钮开关直接从 9 V 电源处获得电能。新电路图中，按钮通过继电器的下触点获得电能。这样会有什么效果呢？

图 2-70 展示了如何修改原有的面包板电路以匹配新的电路图。你需要做的只是将按钮旋转 90°，再增加一根跨接线（图中的绿色线），把按钮和给左侧 LED 供能的继电器引脚连接起来。

短暂地按下按钮，发生了什么？继电器发出了蜂鸣声。

你知道这里发生了什么吗？在松弛状态下，继电器内部的开关靠在继电器的下触点上。这样就为左侧的 LED 以及按钮开关提供了正电压。因此，在按下按钮时，电能就进入继电器的线圈。线圈推动继电器内部的开关向上运动。然而，它一旦这样做，就破坏了连接，使线圈失去了供电电压，开关落回松弛位置。

但是，它回到原位后，又给线圈提供了电能，从而使这个循环一直重复。继电器在两个状态间来回振荡。

因为你使用的是小继电器，所以它的开关速度很快。实际上，它每秒振荡约 20 次（这个速度太快，LED 来不及显示正在发生什么）。

继电器被迫振荡时很容易烧坏，或者损坏触点。电路中的电流也略大于触摸开关的设计最大电流。所以不要长时间按压按钮！为了降低电路的自毁能力，我们需要使一切发生的更慢些。我将用电容器来实现这个效果。

增加电容器

如图 2-71 电路所示，增加一个 1000 μF 的电解质电容器，与继电器线圈平行，并确保电容器的短引线与电路的负极一侧相连，否则电容器无法工作。除了短引线，你还应该在电容器外壳上找到一个减号，这个用来提醒你电容器的哪一侧应该连接负电。我在电路图中使用的是加号，因为它比减号更加醒目，而且我希望它与 LED 使用的表示方法相一致。

电解质电容器如果连接错误，反应将会十分糟糕。它们可能会自毁。电容器的极性一定要检查两遍。

现在按下按钮，继电器会断断续续地发出咔哒声，而不是蜂鸣声。电容器就像一个小型可充电电池。它如此之小，用几分之一秒的时间就能充满电，继电器还来不及断开触点。然后，在触点断开时，电容器把电能释放给继电器（和左侧的 LED），使得继电器线圈暂时通电。电容器耗尽储存的电能后，继电器开关松弛，重复这一过程。这一过程中，电容器在充电和放电。

断开右侧 LED 的连接，就会发现，左侧的 LED 以一种奇妙的方式闪烁着，它的亮度随着电容器电压的降低而逐渐减弱。

因为电容器在充电时会产生很大的浪涌电流，所以在实验中，如果将触摸开关按下的时间太长，它可能过热。

基础知识：关于法拉

电容器的存储能力以法拉计量，用大写字母 F表示。法拉由迈克尔 • 法拉第（Michael Faraday）命名，他是又一位历史留名的电学先驱。
法拉是一个很大的单位，分成微法（μF，1 μF等于 1 F 的百万分之一）、纳法（nF，1 nF 等于 1 μF的千分之一）和皮法（p F，1 pF 等于 1 nF 的千分之一）。在美国，纳法这个单位用得不如欧洲多，容值可能用皮法或几分之一微法来表示。

皮法、纳法、微法、法拉的转换关系如图 2-72所示。

注意：小心电容器造成伤亡

如果一个较大的电容器充有很高的电压，它可以将该电压保持数分钟甚至数个小时之久。由于本书的电路使用的电压较低，因此你现在不用为这个问题担忧。但是如果你粗心大意，拆开一台老电视机，在里面翻来找去（我不建议你这么做），你就可能会遭遇飞来横祸。一个充满电的大电容器把你电死，就像你把手指伸进电源插座一样容易。

基础知识：关于电容器

电容器内部不存在电连接。它的两根引线在内部与两块极板相连，极板之间间隔一定距离，中间用称为电介质的绝缘体隔开。因此，直流电无法通过电容器。但是，如果你把电容器连接在电池两端，它就会开始充电，如图 2-73 所示，因为一块极板上的电荷吸引另一块极板上相反的电荷。

现代电容器中，极板已经缩减成有弹性的金属薄膜。

两种最常见的电容器是陶瓷电容器（非常小，储存电荷量较少）和电解质电容器（要大得多）。电解质电容器通常做成小金属罐的形式，颜色可能有很多种，但黑色是最常见的。老式陶瓷电容器通常是圆盘形，而新式的电容器是小水滴
形的。

陶瓷电容器没有极性，这意味着你不必担心它们应该如何连入电路。电解质电容器有极性，只有正确连入电路才能工作。

电容器的电路符号有两条线，代表两片极板。如果两条线都是直的，那么电容器就没有极性，可以用两种方式连接。如果一条线呈弧形，那么电容器的这一侧就必须连接到比另一侧更低的电势上。符号还可能包含一个 + 号，提醒你电容器的极性。图 2-74 所示为两种符号。

带弧线的符号已经不常使用了。人们认定，如果你有电解质电容器，那你就会将它连接正确。而且，高容值的多层陶瓷电容器已经生产出来，可能替代电解质电容器。

• 我的电路图只会用到无极性的电容器符号。使用电解质电容器还是陶瓷电容器取决于你的选择。
• 我的面包板电路图会在最可能用到的地方画出电解质电容器。但是，你也可以用陶瓷电容器来替代它。

注意：观察电容器的极性！

最常见的电解质电容器使用铝极板。另外两种电容器分别使用钽和铌极板。这些电容器都对极性十分挑剔。在图 2-75 中，一个钽电容器插在面包板上，错误地连接到了一个能够输出很大电流的电源上。过了一分钟左右，电容器造反了，
砰的一声炸开，燃烧的碎片到处散落，一直烧到面包板里面。我们由此得到了一个教训：要注意电容器的极性！

基础知识：故障追踪

随着你在面包板上搭建的电路增多，电路越来越复杂，错误就越有可能发生。没有人能从这个不幸的事实中幸免。

一个常见的错误是将导线插入了面包板上错误的一排。当你使用继电器等类似的元件时，尤其容易犯这个错误，因为这些元件的引脚是隐藏的。通常我会把元件拿下来，再看一眼，再把它装回去，只是为了确认。

如果你忘记了面包板内部隐藏导线形成的连接，就会犯一个更微妙的错误。看一看图 2-76。还有更简单的电路吗？很显然，电源正极流出的电流流过 LED，流过跨接线，再流过电阻器，到达负极总线。但是如果你按照图中所示的方法连接它们，我绝对能保证，这个电路无法工作。

如果你交换电阻器和 LED 的位置，情况将变得更加糟糕。这一次，电路会立即烧毁 LED。
检查一下图 2-77 中电路的透视视图，答案就很明显了。问题在于，LED 的两根引脚都插到了面包板内的同一条导线上。电流有两种选择，或是流过 LED，或是直接流过铜导线——铜导线的电阻比 LED 的电阻小得多，因此大多数电子会流过导线，而 LED 一直不亮。

还有很多种其他的错误可能出现。你怎样才能以最快的速度最有效地发现它们呢？你只需要掌握一套方法。遵循以下步骤。

1. 检查电压。

把万用表的红表笔放在面包板正极总线顶端的连接点上，设置万用表测量电压（直流电压，除非实验建议使用其他量程）。确保电路电源处于开启状态。现在，用万用表的黑色表笔触碰负极总线上的各个位置。你在万用表上读到的读数应该和电源电压相近。如果测到的电压接近于零，那么你很有可能忘了加入跨接线。没能把负极总线上的短路连接上。如果你测到几伏特的电压值，但比电源电压低得多，那么电路中某处就可能发生了短路，拉低了电源电压（如果你用电
池供电的话）。

现在，把黑表笔固定在负极总线顶端的连接点上，从上到下检查一遍正极总线。

最后，仍然保持黑表笔位置不动，用红表笔检测电路中任意位置的电压。如果检测到电压接近于零，那么很可能某处漏掉了连接，或者某个元件 / 某根导线在面包板内部没有形成连接。

2. 检查布局。确保所有的跨接线和元件引脚在面包板上的位置都与预定的完全一致。

3. 检查元件方向。有极性的二极管、晶体管和电容器必须正确连接。使用集成电路芯片时（本书后面会讲到），检查一下它们的方向是否正确，并确保芯片上所有的引脚都没有弯曲，不会藏在芯片下面。

4. 检查连接。元件可能在面包板内部接触不良，这种情况很少发生，但并非绝无可能。如果电压出现无法解释的间歇性错误或者零电压，就试试更换一些元件的位置。根据我的经验，如果你购买了非常便宜的面包板，或者使用了小于 22 线规的导线，出现连接问题的概率会更大。（记住，线规的编号越大，导线越细。）

5. 检查元件值。核实所有的阻值和容值，保证正确。我的标准流程是先用万用表检测一下阻值，再把它连入电路。这要费事一些，但从长远来看，还是能节省时间。

6. 检查有无损坏。集成电路和晶体管可能因电压不正确、极性不正确或者静电而损坏。在手头
   存一些备件，可以用作替换。

7. 检查自己。如果其他方法都没有生效，就先休息一会儿。长时间着迷于工作会使视野变得狭隘，从而阻碍你发现错误。如果转移一会儿注意力再回到你的问题上，答案可能突然就显而易见了。

建议你把这个错误追踪流程表加上书签，日后如果再出现问题，可以回来查阅。

背景知识：迈克尔 • 法拉第和电容器

如前文所述，法拉是以迈克尔 • 法拉第的名字命名的。法拉第（1791—1867），英国化学家和物理学家，肖像见图 2-78。

虽然法拉第受的教育不多，数学知识也非常少，但是他给装订工人做了七年学徒，期间阅读了大量书籍，能够自学。而且，在他所生活的时代，相对简单的实验就能揭露电的基本特性。他有几项重大的发现，包括电磁感应，这一发现引导了电动机的发明。他还发现，磁力能影响光线。他的工作为他赢得了巨大的荣誉，而他的肖像也于 1991~2001 年印刷在 20 英镑的纸币上。