好消息:请在手机淘宝或闲鱼上搜索“电子入门趣谈”,有惊喜哦 :)我把全本电子入门趣谈的电子版(包括科技提升和理论升华部分,共计50余万字)放到上面开始兜售啦,如果您真的喜欢这本书,又想跟作者一起聊聊天的话 :) ... ...欢迎各界电子科技爱好者朋友们斧正收藏 。作者微信:zhangbolin1202 --- .05.27注
第四章 自己制作电路板吧
相信大家通过前面的学习,已经了解了单片机、单片机外围电路以及基本传感器的相关知识。不过,大家有没有觉得,自己学到的东西都是“纸”上谈兵呢?无论单片机、外围电路、传感器它们各自有多厉害,功能有多强大,它们总是不能单独完成我们要求的功能。说到这,你也许会说,“我把这几样东西组成一个电路不就得了?!”,聪明的你正好落入我的圈套:电路是需要载体的,我总不能拿一堆导线把所有的器件管脚绑在一起完成电路吧(小编那会还真这么做过)?要真的是那样,我们人手一部的手机就是一团乱麻了……为了解决这个问题,聪明的人们将电子电路的载体做成规范,大家统一按照标准行事,这样一来,设计方便、交流方便,何乐而不为呢?为了让你的想法付诸现实,快进入电路制作的广阔天空吧!!
这一章我们会学习到如何用面包板和洞洞板制作电路、如何用AltiumDesigner软件画一个更加专业的PCB电路板。诸位看官,我们开始吧!
4.1 面包板的介绍和经典案例使用教程
4.1.1 面包板介绍
先贴几张图,让面包板大哥混个脸儿熟:
然后再让它来段自我介绍:
大家好,我是电路实验中一种常用的具有多孔插座的插件板,在进行电路实验时,可以根据电路连接要求,在相应孔内插入电子元器件的引脚以及导线等,使其与孔内弹性接触簧片接触,由此连接成所需的实验电路。最上面的那张是我的示意图,为4行59列,每条金属簧片上有5个插孔,因此插入这5个孔内的导线就被金属簧片短路连接在一起。簧片之间在电气上彼此绝缘。面包版插孔间及簧片间的距离均与双列直插式(DIP)集成电路管脚的标准间距2.54mm相同,因而适于插入各种数字集成电路。
面包板大哥的自我介绍真是专业啊,你听懂了吗?考你一个,到底哪些插孔之间相互断路、哪些插孔之间相互短路?
上图展示了面包板的重要功能:实线连接的地方是短路的插孔,相当于一条条的导线,将外部的分立器件连接起来。中间部分宽条是由中间一条隔离凹槽和上下各5 行的插孔构成。在同一列中的5 个插孔是互相连通的,列和列之间以及凹槽上下部分则是不连通的。更值得注意的是,为了电源的连接方便,面包板上专门设计有X、Y两排专供电源的插孔(有的面包板有更多排)。每5个插孔为一组,通常的面包板上有10组或11组,下面为大家一一讲述。
对于10组的结构,左边5组内部电气连通,右边5组内部电气连通,但左右两边之间不连通,这种结构通常称为5-5 结构。另外一种3-4-3结构,即左边3组内部电气连通,中间4组内部电气连通,右边3组内部电气连通,但左边3组、中间4组以及右边3组之间是不连通的。对于11组的结构,左边4组内部电气连通,中间3组内部电气连通,右边4组内部电气连通,但左边4组、中间3组以及右边4组之间是不连通的,这种结构称为4-3-4结构。
面包板大哥为了让我们的实验更加方便,自己结识了一大帮好兄弟,他们是……
面包板电路基本实验元器件表
大家可以先按照自己小制作需要的器件进行购买,不过“器件类别”为粗体的大多数实验都要用到的。
4.1.2面包板使用技巧以及注意事项
4.1.2.1 使用技巧
面包板是实验室中用于搭接电路的重要工具,熟练掌握面包板的使用方法是提高实验效率,减少实验故障出现几率的重要基础之一。下面来谈一谈面包板的使用技巧。
首先,元器件引脚或导线头要沿面包板的板面垂直方向插入方孔,应能感觉到有轻微、均匀的摩擦阻力,在面包板倒置时,元器件应能被簧片夹住而不脱落。
在做模拟电路实验的时候,通常在宽条部分搭接电路的主体部分,上面的“窄条”取一排做电源正极,下面的“窄条”取一排做电源负极。
而在搭接数字电路时,有时由于电路的规模较大,需要多个宽条和窄条组成的较大的面包板,同样通常是两窄一宽同时使用,两个窄条的第一行一般和地线连接,第二行和电源相连。由于集成电路电源引脚一般在上面,接地在下面,如此布局有助于将集成电路的电源脚和上面第二行窄条相连,接地脚和下面窄条的第一行相连,减少连线长度和跨接线的数量。中间宽条用于连接电路,由于凹槽上下是不连通的,所以集成块一般跨插在凹槽上。
下面的两个电路就是就是按照上述规则制作的。
4.1.2.2注意事项
既然面包板大哥帮了咱们那么多忙,咱们应该怎样照顾它呢?
1、面包板应该存放在通风、干燥处,特别要避免被电池漏出的电解液所腐蚀。
2、要保持面包板清洁,焊接过的元器件不要插在面包板上。
希望大家真的要注意这些,因为如果你不去爱惜面包板,真正做实验的时候,面包板短路的孔与孔之间变成了断路,大家就得使用万用表的通断进行检测喽……
4.1.3 面包板电路经典案例
这一节我们亲自做几个小案例,好好体会一下面包板的神奇魅力。
例1(热身案例)省电指示灯电路的搭建
我们的电源使用4节5号电池串联而成,开关选用按钮开关,接线用1芯导线,电阻器上面的四条色环为橙色、白色、棕色及金色,标称阻值为390Ω,允许偏差±5%。发光二极管采用直径3mm的红色发光二极管。限流电阻器R为390Ω时,发光二极管中电流约10mA,亮度已经很高了。如用高亮度发光二极管,限流电阻器可以适当加大(1k~3.9kΩ),工作电流仅为1~3mA(大家想一想电流是怎样算出来的),利用以上元器件,一个名副其实的省电指示灯电路就做好了。
省电指示灯电路虽然看起来很简单,在面包板上搭接电路却是新的尝试,需要掌握在面包板上连接电路的方法,了解电阻器和发光二极管的使用方法,迈出面包板电路实验的第一步。建议大家按照上图的示范连接方法进行实验。常见的错误是把电阻器、发光二极管的两条管脚插在同一列的5个方孔内造成短路,或者发光二极管正负极管脚接反。
这么简单的电路,快拿出自己的面包板和元器件,搭建属于自己的第一个电路吧!一定记得和小编分享你成功的喜悦哦……
聪明的你肯定已经把可爱的LED点亮了,接下来,难度上升,接受挑战吧……
例2 电容器的充电及放电作用
电容器是面包板上最常用的储能元件,我们当然要隆重介绍一下啦!
1745年,荷兰莱顿大学P•穆森布罗克发明“莱顿瓶”,这是一种最原始的电容器,在玻璃瓶内外贴上金属箔作为板极,这样就构成了由两个金属板相互靠近并用玻璃介质绝缘的电容器。顾名思义,电容器最主要的特征是能够存储电荷,具有充电和放电作用,并有隔断直流电和允许交流电通过的能力。
下面我们将使用面包板体验电容给我们带来的乐趣。
大家赶紧拿出自己面包板,亲自连接一下,看一看现象吧!
相信聪明的你已经看到现象了,有没有很兴奋?让我们深入的研究一下这个电路的工作原理。
上面的实验电路中有两个功能:
充电功能:电容器C1(220μF)和C2(220μF)并联,总电容量等于两个电容器的电容量之和(440μF)。电路左方由电源GB、按钮开关SB1、电阻器R1和并联的电容器C1、C2组成RC(阻容)充电电路,充电电流由红色发光二极管的发光亮度显示出来。当SB1闭合接通电源瞬间,红色发光二极管闪亮一次。R1的电阻值越大,红色发光二极管瞬间电流(最大电流)越小,向电容器充电的时间越长。
小编考一考大家,你们能用电路基础学到的知识解释一下吗?
放电功能:右方为电容器的放电电路,由SB2、R2、绿色发光二极管和并联的电容器C1、C2组成。当C1、C2充足电后,断开SB1,电容器C1、C2与电源GB脱离,这时再按下SB2,绿色发光二极管发生闪亮现象,这是由于电容器C1、C2存储的电荷放电造成的,说明电容器能够存储电荷。电容器放电时,随着电容器中存储的电荷不断减少,其两端电压急剧减小,放电电流也随之按指数规律急剧减小(大家可以用电路的知识推导一下,可能要用到解微分方程的知识)。显然,电阻器R的电阻值与充电电容器C的电容量两者的乘积R•C越大,充放电所需要的时间也越长,因此把R•C叫做阻容充放电电路的时间常数,用希腊字母τ来表示,即
τ=R•C
当电阻的单位为欧姆,电容的电容量为法拉时,τ的单位为秒。R=1kΩ,C=440μF时,τ=1×103×440×10-6=0.44(秒)。在实验时,发光二极管为什么只能瞬间闪亮,通过计算时间常数τ就可以得到证明。
小编提醒一下,电容器一定选用工作电压10~16V的小型电解电容器,由于其体积较大,在面包板上要留有一定的空间,并需要一条导线将两个电容器的正极并联在一起。电解电容器在使用时要注意极性,长引脚为正极,短引脚为负极,通常电容器壳体负极引脚一侧有“-”的标志。
怎么样,用面包板做实验是不是很有趣呢?不过小编在这里要给大家打个预防针:用面包板进行电路实验时一定要好好布局,否则又会出现五花大绑的现象,检查电路的工作将会十分困难。
例3 分立器件搭建的流水灯
这个例子的展示效果可是非同一般的漂亮,大家是不是很期待呢?赶紧动手做一做吧!
这个例子中用到了三极管,面包板电路搭接中常用的NPN型三极管是9013,PNP型三极管为9012。这个例子中,每当电源接通时,总有一个LED会先亮起来,LED亮起证明原理图中与相应LED相连的三极管导通,导致其集电极电压下降,而电容两端的电压是不能突变的,所以,后一个三极管的基极电压接近0V,与其相连的LED则熄灭;同时,再后一个三极管的基极电压升高,与其相连的LED点亮。也就是说,同时亮的LED有两个。随着原理图中电容器的充电,上述的截止的三极管的基极电压不断升高,到达0.7V后导通,LED点亮;而后一个LED又被熄灭,由此循环往复进行。
下面的例子我们将使用常用的IC进行面包板电路设计。
例4 基于NE555的光控频闪警示灯
大家试一试按照原理图搭接电路吧……或者找个小伙伴比比赛,看谁设计的既清晰、又美观。
需要说明的是,照片中的红色小LED代替了原理图中的VD14148,发光二极管实质也是二极管。另外,因为我们手头上没有光敏电阻,所以照片中用蓝色的可调电位器代替光敏电阻。
IN4148是常用的一种二极管,具有单向导通特性;而光敏电阻是一种电阻随光的强弱变化而变化的传感器,一般来说,光强越强,电阻越小;反之,电阻越大。
这个实验中用到了NE555芯片,它的内部结构中(如上图所示)含有两个电压比较器A1和A2、一个RS触发器、一个反向驱动和一个放电三极管。而两个比较器分别被3个5K的电阻设定在2/3和1/3VCC的工作点上,当电压比较器A1同相输入端6脚的电压高于反向端5脚的电压时,3脚输出低电平;当比较器A2反向输入端2脚电压低于同相输入端(1/3VCC)时,3脚输出高电平。NE555的常用功能为多谐振荡器和单稳态触发器,本例中就是利用NE555搭建了一个多谐振荡器,原理图中的R1、R2、C1、VD1就是电容充放电电路的组成部分。关于555更多更详细的介绍,我们可以翻回头看看第二章的内容。
VD1在本例中的作用就是改变充、放电使用的电路参数(电阻大小),从而改变时间常数,导致亮、灭时间长度不一致,形成频闪的效果。而光敏电阻RG则与R4分压,改变NE555中的强制复位管脚的电压变化,从而控制NE555是否工作。试着调一调看看效果吧。
未完待续。。。