电子实验与电子制作 电子作品设计活动 (共三节) (9/11)

一、收音机交直流供电自动切换电路

设计背景

这是为了解决使用钟控数字收音机过程中出现的问题而产生的设计(www.n09.net)。这种数字收音机采用锁相环技术,用数字调谐选择电台,还具有定时开机功能。电源电压为6V,有外接直流电源插座。它的缺点是耗电较高,5号碱性电池大约可以使用10小时。

为了长期使用,一般都用交直流电源转换器供电。使用时利用它的定时开机功能,将时间设定在每天早晨定时开机,兼做闹钟。但突然的一次夜间停电,使得早晨的闹钟失灵了,由于这一事故,耽误了上班。如何解决这一问题呢?于是设计了这个电路,实现了同时用交流和直流双重供电,经过长期运行证明十分可靠;简单的电路解决了使用中的大问题。从解决实际问题出发是电路设计的最重要的原则之一。

电路原理

电路图见图33-011。在原有的电源插座电路上,一个硅二极管D。二极管的作用是当没有外接电源或者在停电时,电池电源可通过它自动恢复向收音机供电。

图 —

制作要点

可直接将二极管焊接在收音机的印刷电路板上。

学习、实验与思考

1.交直流转换器输出电压测定

一般交直流转换器都有额定的直流输出电压。多数没有稳压电路的转换器,其额定的输出电压与实际电压有比较明显的差别。例如,额定输出6V的转换器,用电压表测量空载时电压一般在7~8V左右。工作时电压降低至6V左右。

影响交直流转换器输出电压的因素有:负载、市电电压、温度等。可通过实验了解它的性质。

2.思考

分析二极管D在电路中的作用。

如何根据不同的电器确定二极管D的型号。

二、电话线路录音插座

设计背景

在电视节目中经常看到用话筒进行电话录音的镜头。这种录音方式虽然简便,但是质量不高,易受外界声音干扰;如果是针对某固定电话进行录音,最好能用线路输入方式直接录音。电路要求使用方便,录音线路接入电话线路,不设任何开关,做到在待机时、振铃时和通话时都不得对电话线路产生干扰。

电路原理

电路图见图33-021。电路采用电容耦合方式,将电话线中的语音信号输送到录音机;为了保证录音信号与录音机的匹配,还采用了电阻降压。

图33-021

制作要点

尽量微型化。可独立制作一录音插座盒,也可将其装入电话机中。

学习、实验与思考

1.分解目标

为了实现既定的目标,可将问题分解成若干个,分别加以解决。在设计电话导线连接录音方式的任务中,要解决以下问题:

①电话线路与录音机隔离问题。

②电话线路的音频电压与录音机录音信号输入电压的匹配问题

③录音线路与电话线路的干扰问题

2.理论与实践相结合

为了解决以上问题,应采用理论与实践相结合的方法。如果没有理论指导,单纯靠实验也许能够解决,但是必然会浪费时间,浪费原材料。如果能够在理论的指导下进行实验,就可收到较好的效果。

为了充分实现与电话线路的隔离问题,可用电容器,问题是要用多大的电容?耐压应该是多少?显然,为了彻底解决电路的隔离问题,应该用2个电容,分别接在2条电话线上。耐压问题要考虑到保险系数,采用耐压160V的。至于电容器的大小,应从多方面考虑。首先估算一下线路的阻抗。为了减少录音线路对通电话的影响,拟将录音线路的电阻选用10kΩ,电话语音的最低频率为300Hz,则电容器的容量可用公式C=1/(2πf R)计算:

C=1/(2×3.14×300×10000)=0.05μF

这样,可用2只0.1μF的电容串联使用。

3.在实验中修改设计

电路设计不可能一蹴而就,要经过多次实验优化设计。在初步的设计完成之后,可用录音机连接电话线路,进行通话实时录音实验。通过实验,可以发现一个问题,就是电话的音量变化范围较大,对录音效果有一定的影响。为了解决这个问题,首先通过实验确定通过电阻降压,然后再用电位器进行人工调整。这样,电路的雏形就完成了。至于电路中的电阻R3,看似是多余的,实际也是不可缺少的。它的作用是防止电位器将音量调整到最小时,保证有电话信号,以避免丢失录音信号而设计的。

4.思考

这个录音插座是固定在电话线路上的,请计算一下,在来电话时,它对振铃信号的影响(它消耗多少振铃电流?)这个结果说明了什么?如有必要,查找资料以了解电话线路振铃信号的频率和电压。

三、电话线感应增音器

设计背景

与上面的用导线连接的方式不同,这种电话线感应增音器不需要任何电线,只要将一个接收头放在电话线上,就可以用喇叭听到双方通话的声音。

电路原理

电路图见图33-031。电路由线路感应器、音频放大器、功率放大器和喇叭组成。通电话时,电话线上通过声音信号,从而在电线周围产生交变磁场,线路感应器将这一交变磁场转变为电压信号,输入到放大器进行放大,推动喇叭放出通话的声音。

图33-031

制作要点

电路的关键在于线路感应器的设计和制作。线路感应器由带铁芯的线圈制作,使用时将铁芯靠近电话线,就可以在线圈中感应出电话线路中的声音信号。由于电话线路向外辐射的磁场极其微弱,除了必须将感应器靠近电话线路以外,还必须解决环境中杂散磁场的干扰问题。因为要将电话信号放大到可以推动喇叭发声的强度,环境中杂散磁场也被放大,同样在喇叭中产生噪音,以致于根本无法听到电话中的声音。为了解决这一问题,线路感应器为两组相同的铁芯线圈并排放置,两组线圈串联连接,相位正好相反;使用时,将电话线放在其中一组的铁芯上,见图33-032;这样,电话线上的信号就可以在线圈中感应出电压,输出到放大器进行放大;而环境中的杂散磁场对两组线圈都感应出电压,这两个电压相位相反,互相抵消。一种老式的电磁式高阻耳机正好有一马蹄形电磁铁,将原来铁芯取出,分别放入矽钢片即可使用了。为了保持稳定,可用一夹子将电话线固定在铁芯上。

图33-032

学习、实验与思考

1.克服缺点完成发明

在制作一种电话感应增音器的过程中发现介绍的电路实际上根本无法正常工作。这种采用铁芯线圈拾取电话机周围磁场的感应增音器,连同周围各种电器发出的磁场一同放大,形成很大的噪声。此外,如果电话机没有线圈,也导致增音器无法工作。为了解决适应所有型号电话机的问题,决定采用从电话线路上拾取声音信号。但是电话线周围辐射的磁场信号很微弱,解决干扰问题成为设计关键。根据目标信号与干扰信号的位置不同,采用了两组感应器来解决这一问题。将它们靠近,则对于干扰信号,两组感应器得到的信号可近似认为是相同的,再加以反相处理,就可以将干扰信号消除。而对于目标信号,电话线上的信号,可以人为将它放在其中任意一个感应器上,这样两组感应器对于电话信号来说是非对称的,经过反相处理不会被消除,可以输送到放大器进行放大。

2.并联的线路感应器

除了可以按照电路中将两组线圈串联之外,也可以将它们并联,同样可以达到消除环境中的干扰信号的目的;并联时两组线圈在各自的铁芯中产生的磁场方向应该相反。可以这样认为,串联是电流抵消法,并联是电压抵消法。经过实验,两者的功能没有明显差别。两个线圈无论用哪一种连接方法,都要注意方向;可用实验的方式确定,目标是使大环境的磁场干扰产生的电信号互相抵消。至于用理论方法进行线圈磁场方向的判定,中学物理教科书中已有介绍,这里就省略了。

3.用线路感应器制作电话接触录音头

实际上由于免提电话的发明,电话增音器已无使用价值。但这种在电话线上感应电话信号的方法可以用来制作电话接触录音头。与电话线路录音插座不同,这种录音头只需放到电话线上就可以工作,无需改动电话机和电话线路,使用起来十分方便。

四、夜间自动降低音量的电话铃

设计背景

在卧室中使用电话会发现一个致命的缺点,就是到了夜间,电话振铃声十分吵闹。特别是对于患有心脏病的人来说,夜间突如其来的电话简直就是一次灾难。本作品巧妙地解决了这一问题,在白天它可以发出正常的振铃声音,到了夜晚,它会自动减低振铃音量。

电路原理

电路图见图33-041。电路由振铃电压整流、滤波、音频振荡器、光控发声器组成。每当来电话时,振铃电压驱动整流电路,音频振荡器工作,由光控发声器根据环境光线的强弱发出来电话振铃声音;在白天,光敏电阻阻值很小,发声器发出最大音量;到了晚间,光敏电阻阻值变大,音量减弱;在夜晚,环境完全黑暗,光控发声器音量最弱。电路中加入了交流电压门限电路,可以自动地阻隔电话声音信号,所以无需任何开关和人为操作,实现了夜间自动减弱电话振铃的目的。

图33-041

制作要点

采用印刷电路板制作,体积小巧紧凑,可以将整机装入一种电话线转换盒中,见。通过调整音频振荡器的频率,使之与压电陶瓷片的共鸣箱谐振,可以获得最大的音量。光敏电阻安装在机盒内,在顶部的位置上应开一小孔,以保证光敏电阻获得外界光线的照射。

学习、实验与思考

1.电话声音信号阻隔电路

一般电话机都带有联动开关,当摘下听筒通话时,内部的开关自动将振铃电路关闭,以免影响正常通话。为了简化设计,方便用户使用,电路不设任何开关。那么它是如何解决通话时,并联接在电话线路上的电话铃不干扰电话的工作呢?电路采用了二极管导通电压来实现这一目标。我们知道,一个硅二极管的正向导通电压为0.7V,一个发光二极管的正向导通电压为1.8V左右;分析电路的振铃电压整流电路,电路中串联接入了一个LED,这样,加上全波整流电路中的二极管,共有2只硅二极管和1只LED,正向导通电压为3.2 V。电话通话时,直流电压在6~12V之间,据此估算,其中的声音电压分量应在3V以下,为保险起见,电源电路中又串联了一支普通二极管。电路中的LED还兼有振铃时灯光提醒的功能。

2.最小振铃音量的调整

光控发声器是由一个串联在压电陶瓷片电路中的光敏电阻起作用的。一般光敏电阻在全黑环境中的阻值高达几兆欧以上,这会导致在夜间振铃音量消失,达不到提醒目的。所以在光敏电阻上并联了一个数百欧姆的电阻。调整这个电阻的大小就可以调整夜间振铃的音量。

3.振铃电压的整流电路分析

整流电路中,串联在电话线路中除了必须使用的隔直流电容器之外,还串联了2个电阻R6和R7。在最初的设计中,没有使用这2个电阻。通过实验发现,如果在整流电路中不使用电阻,就会产生一个问题,那就是振铃的音量较小。在调试中发现,使用一组6V电池供电,振铃可发出悦耳的音量;而用振铃电压通过整流,在电源电路及滤波电路中不使用电阻,所得到的直流电压用电表测量高达9V,但音量小而且沙哑。电压高音量反而小。这个问题得不到合理的解释。后来,偶然在滤波电路中串联了一个1kΩ的电阻,音量立刻变大。

这里面比较难于解释的问题在于不使用电阻,整流后直流电压并未降低,为什么音量比较小呢?

不过,不论其中的原理如何,今后在设计用电容隔直流或者降压的整流电路中,都应该串联一个电阻,以保证电源电压的稳定。

五、来电话灯光提醒器

设计背景

这是一个用灯光代替声音的电话“振铃”,通常用在特殊的场合,比如周围环境噪声十分大,以至淹没了电话铃声;或者用在特别安静的场合,代替电话铃声;也可能为聋哑人提醒来电话之用。

电路原理

电路图见图33-051。电路由整流驱动电路、光控电阻器、晶闸管、白炽电灯组成。每当来电话时,振铃电压通过整流电路驱动发光二极管闪亮,光控电阻器受控阻值变小,驱动晶闸管导通,电灯被点亮。由于整流电路中没有滤波电路,驱动LED的电压为频率约为20Hz的脉动直流,所以来电话时,电灯发出同步的闪亮。电路直接接在电话线路上,无需开关。

图33-051

制作要点

本电路采用了2只双向触发二极管;串联在整流电路中的作用为自动隔离通话时电话线路的声音信号;另一只作为晶闸管的触发开关。晶闸管可用耐压600V,2A的双向触发晶闸管。电灯可在15W~100W范围选择。

学习、实验与思考

1.电路的安全性能评价

电路有4条外部接线,2条接电话线(不分正负),2条接220V电源线。由于电话线路为公用低压线路,所以必须防止220V电源通过本作品对电话线路产生任何影响。从电路原理分析,这两种线路是互相隔绝的。它们通过光线进行控制。安全的保证在于自制的光控电阻器的耐压性能。如前面提到的制作光控电阻器的方法,发光二极管与光敏电阻的距离应大于10毫米,可确保耐压达到1000V以上。这样,电路在使用中不会对电话的使用产生任何影响。

2.触发二极管在整流电路中的作用

电路直接与电话线并联,当有电话振铃时,会驱动电灯发光;当打电话时,电话线路中的声音信号会加到电路上。如果电路对声音信号有旁路作用,则会影响电话的正常使用,所以必须加以避免。双向触发二极管串联在电话线输入的整流电路中,就起着隔离电话线中的声音信号的作用。这是因为电话线路中声音信号的电压一般不超过5V,远远低于触发二极管的最低触发电压,所以电路对通话时的电话线路相当于开路。

六、简易电焊自动防护面罩

设计背景

电焊防护面罩主要有面部防护和眼睛防护两部分。其中的眼睛防护最为重要。现有的面罩上有一块目镜,通常是一块乌黑的玻璃,将电焊时产生的强烈电弧光遮挡,起到保护眼睛的作用。但是它的致命缺点是由于目镜黑,在没有起电弧时,通过它无法观察到工件的情况,从而影响了工作质量和工作效率。使用电焊自动防护面罩,电焊时在准备工作时,面罩的目镜是透明的,一旦电焊起弧,面罩的目镜自动变黑,起到保护眼睛的作用。

电路原理

电路图见图33-061。电路由控制接线、分压器、限压电路,液晶光阀片组成。控制接线一条接在电焊把线上,另一条接地。液晶光阀片为常暗型的,即在没有驱动电压时,光阀片保持黑暗;当接入驱动电压时,光阀片变透明。这样,在接上电焊线时,电焊机的60~80V的空载电压通过分压器,保持在30V以上,双向触发二极管被触发,驱动液晶光阀片变透明,人可通过目镜观察电焊现场的状况。当电焊起弧时,电焊机的电压降至30V,这个电压通过分压器降至20V以下,不能驱动触发二极管,液晶光阀片失去驱动电压,重新变暗,目镜随之变黑,起到保护眼睛的作用。

图33-061

制作要点

制作完成后,要用模拟的电压进行测试。对于触发电压在30V左右的双向触发二极管,电路图中的数据是可靠的。应保证在外加60V电压时,液晶片变亮,当外加电压为30V时,液晶片变黑。如果不能达到要求,可调整分压器的比例。

学习、实验与思考

1.液晶

液晶是一种神奇的物质,用它制作的各种光学显示装置具有体积小、微功耗等功能,在数字时代得到日益广泛的应用。

液晶片在外加电场作用下,可改变透光性质。这是因为液晶可将光线变成偏振光。液晶的这一性质可根据外加电压而改变偏振的方向,使光线的相位产生90度的变化。如果一种原来是透明的液晶片,当外加一定的电压后,里面的液晶通过的光线偏振角度改变了90度,则液晶片就变成了不透明状。

将两片相同的矩形液晶片重叠在一起,然后旋转其中的一片,会发现在重叠的部分一会变亮,一会变暗。原来液晶片外部的玻璃是一种偏振片。光线穿过之后,会变成沿着一定方向振动的光线。

液晶光阀片具有很大的直流电阻;它具有电容性,每平方毫米大约为10pF。此外,必须用交流电驱动液晶片,否则时间长了会导致液晶片极化而损坏。

一般1片液晶光阀透明时与变黑时透光比约为8倍左右。在20摄氏度情况下,转变速率约100毫秒;随着温度的降低,转变速率迅速变慢。

液晶特性表

2.液晶光阀片透光性能实验

液晶光阀片在透明时透光率是多少?

液晶光阀片在全黑时透光率是多少?

以上两种情况透光率之比是多少?

设计一个实验解决以上问题。

对于电焊防护面罩的目镜而言,不同的焊接电流使用的目镜也不同,有的更黑一些,有的稍浅一些。对于单片液晶来说,是无法满足电焊时遮光的要求的。通常将2片液晶光阀片重叠使用;并且为了保护液晶片,还可在外面再加上一层普通玻璃片。

3.电路可靠性分析

对于眼睛防护来说,必须保证电路的可靠性。但是电路不可能做到万无一失。问题是,如果电路出了故障,会对使用者发生伤害吗?电路本身和线路最容易出现的故障是线路断线或者电路接触不良。通过分析电路可以看出,由于电路采用了在常态下为黑色的液晶片,只有在有驱动电压时,液晶片才透光;电路一旦出现故障,都会导致液晶片失去驱动电压而变黑,从而达到自动防护的目的。可见,本电路的可靠性非常高。

当然,电路也不是无懈可击,如果当双向触发二极管被击穿,则会出现起弧后目镜不能自动变黑的事故。

主营产品:挖掘机械,混凝土机械,铲土运输机械,钢筋和预应力机械,摊铺机