一、收音機(jī)交直流供電自動切換電路

設(shè)計背景

這是為了解決使用鐘控數(shù)字收音機(jī)過程中出現(xiàn)的問題而產(chǎn)生的設(shè)計。這種數(shù)字收音機(jī)采用鎖相環(huán)技術(shù)，用數(shù)字調(diào)諧選擇電臺，還具有定時開機(jī)功能。電源電壓為6V，有外接直流電源插座。它的缺點(diǎn)是耗電較高，5號堿性電池大約可以使用10小時。

為了長期使用，一般都用交直流電源轉(zhuǎn)換器供電。使用時利用它的定時開機(jī)功能，將時間設(shè)定在每天早晨定時開機(jī)，兼做鬧鐘。但突然的一次夜間停電，使得早晨的鬧鐘失靈了，由于這一事故，耽誤了上班。如何解決這一問題呢？于是設(shè)計了這個電路，實(shí)現(xiàn)了同時用交流和直流雙重供電，經(jīng)過長期運(yùn)行證明十分可靠；簡單的電路解決了使用中的大問題。從解決實(shí)際問題出發(fā)是電路設(shè)計的最重要的原則之一。

電路原理

電路圖見圖33-011。在原有的電源插座電路上，一個硅二極管D。二極管的作用是當(dāng)沒有外接電源或者在停電時，電池電源可通過它自動恢復(fù)向收音機(jī)供電。

圖 —

制作要點(diǎn)

可直接將二極管焊接在收音機(jī)的印刷電路板上。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗與思考

1．交直流轉(zhuǎn)換器輸出電壓測定

一般交直流轉(zhuǎn)換器都有額定的直流輸出電壓。多數(shù)沒有穩(wěn)壓電路的轉(zhuǎn)換器，其額定的輸出電壓與實(shí)際電壓有比較明顯的差別。例如，額定輸出6V的轉(zhuǎn)換器，用電壓表測量空載時電壓一般在7～8V左右。工作時電壓降低至6V左右。

影響交直流轉(zhuǎn)換器輸出電壓的因素有：負(fù)載、市電電壓、溫度等?？赏ㄟ^實(shí)驗了解它的性質(zhì)。

2．思考

分析二極管D在電路中的作用。

如何根據(jù)不同的電器確定二極管D的型號。

二、電話線路錄音插座

設(shè)計背景

在電視節(jié)目中經(jīng)?？吹接迷捦策M(jìn)行電話錄音的鏡頭。這種錄音方式雖然簡便，但是質(zhì)量不高，易受外界聲音干擾；如果是針對某固定電話進(jìn)行錄音，最好能用線路輸入方式直接錄音。電路要求使用方便，錄音線路接入電話線路，不設(shè)任何開關(guān)，做到在待機(jī)時、振鈴時和通話時都不得對電話線路產(chǎn)生干擾。

電路原理

電路圖見圖33-021。電路采用電容耦合方式，將電話線中的語音信號輸送到錄音機(jī)；為了保證錄音信號與錄音機(jī)的匹配，還采用了電阻降壓。

圖33-021

制作要點(diǎn)

盡量微型化。可獨(dú)立制作一錄音插座盒，也可將其裝入電話機(jī)中。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗與思考

1．分解目標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)既定的目標(biāo)，可將問題分解成若干個，分別加以解決。在設(shè)計電話導(dǎo)線連接錄音方式的任務(wù)中，要解決以下問題：

①電話線路與錄音機(jī)隔離問題。

②電話線路的音頻電壓與錄音機(jī)錄音信號輸入電壓的匹配問題

③錄音線路與電話線路的干擾問題

2．理論與實(shí)踐相結(jié)合

為了解決以上問題，應(yīng)采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法。如果沒有理論指導(dǎo)，單純靠實(shí)驗也許能夠解決，但是必然會浪費(fèi)時間，浪費(fèi)原材料。如果能夠在理論的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗，就可收到較好的效果。

為了充分實(shí)現(xiàn)與電話線路的隔離問題，可用電容器，問題是要用多大的電容？耐壓應(yīng)該是多少？顯然，為了徹底解決電路的隔離問題，應(yīng)該用2個電容，分別接在2條電話線上。耐壓問題要考慮到保險系數(shù)，采用耐壓160V的。至于電容器的大小，應(yīng)從多方面考慮。首先估算一下線路的阻抗。為了減少錄音線路對通電話的影響，擬將錄音線路的電阻選用10kΩ，電話語音的最低頻率為300Hz，則電容器的容量可用公式C=1/（2πf R）計算：

C=1/(2×3.14×300×10000)＝0.05μF

這樣，可用2只0.1μF的電容串聯(lián)使用。

3．在實(shí)驗中修改設(shè)計

電路設(shè)計不可能一蹴而就，要經(jīng)過多次實(shí)驗優(yōu)化設(shè)計。在初步的設(shè)計完成之后，可用錄音機(jī)連接電話線路，進(jìn)行通話實(shí)時錄音實(shí)驗。通過實(shí)驗，可以發(fā)現(xiàn)一個問題，就是電話的音量變化范圍較大，對錄音效果有一定的影響。為了解決這個問題，首先通過實(shí)驗確定通過電阻降壓，然后再用電位器進(jìn)行人工調(diào)整。這樣，電路的雛形就完成了。至于電路中的電阻R3，看似是多余的，實(shí)際也是不可缺少的。它的作用是防止電位器將音量調(diào)整到最小時，保證有電話信號，以避免丟失錄音信號而設(shè)計的。

4．思考

這個錄音插座是固定在電話線路上的，請計算一下，在來電話時，它對振鈴信號的影響（它消耗多少振鈴電流？）這個結(jié)果說明了什么？如有必要，查找資料以了解電話線路振鈴信號的頻率和電壓。

三、電話線感應(yīng)增音器

設(shè)計背景

與上面的用導(dǎo)線連接的方式不同，這種電話線感應(yīng)增音器不需要任何電線，只要將一個接收頭放在電話線上，就可以用喇叭聽到雙方通話的聲音。

電路原理

電路圖見圖33-031。電路由線路感應(yīng)器、音頻放大器、功率放大器和喇叭組成。通電話時，電話線上通過聲音信號，從而在電線周圍產(chǎn)生交變磁場，線路感應(yīng)器將這一交變磁場轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺斎氲椒糯笃鬟M(jìn)行放大，推動喇叭放出通話的聲音。

圖33-031

制作要點(diǎn)

電路的關(guān)鍵在于線路感應(yīng)器的設(shè)計和制作。線路感應(yīng)器由帶鐵芯的線圈制作，使用時將鐵芯靠近電話線，就可以在線圈中感應(yīng)出電話線路中的聲音信號。由于電話線路向外輻射的磁場極其微弱，除了必須將感應(yīng)器靠近電話線路以外，還必須解決環(huán)境中雜散磁場的干擾問題。因為要將電話信號放大到可以推動喇叭發(fā)聲的強(qiáng)度，環(huán)境中雜散磁場也被放大，同樣在喇叭中產(chǎn)生噪音，以致于根本無法聽到電話中的聲音。為了解決這一問題，線路感應(yīng)器為兩組相同的鐵芯線圈并排放置，兩組線圈串聯(lián)連接，相位正好相反；使用時，將電話線放在其中一組的鐵芯上，見圖33-032；這樣，電話線上的信號就可以在線圈中感應(yīng)出電壓，輸出到放大器進(jìn)行放大；而環(huán)境中的雜散磁場對兩組線圈都感應(yīng)出電壓，這兩個電壓相位相反，互相抵消。一種老式的電磁式高阻耳機(jī)正好有一馬蹄形電磁鐵，將原來鐵芯取出，分別放入矽鋼片即可使用了。為了保持穩(wěn)定，可用一夾子將電話線固定在鐵芯上。

圖33-032

學(xué)習(xí)、實(shí)驗與思考

1．克服缺點(diǎn)完成發(fā)明

在制作一種電話感應(yīng)增音器的過程中發(fā)現(xiàn)介紹的電路實(shí)際上根本無法正常工作。這種采用鐵芯線圈拾取電話機(jī)周圍磁場的感應(yīng)增音器，連同周圍各種電器發(fā)出的磁場一同放大，形成很大的噪聲。此外，如果電話機(jī)沒有線圈，也導(dǎo)致增音器無法工作。為了解決適應(yīng)所有型號電話機(jī)的問題，決定采用從電話線路上拾取聲音信號。但是電話線周圍輻射的磁場信號很微弱，解決干擾問題成為設(shè)計關(guān)鍵。根據(jù)目標(biāo)信號與干擾信號的位置不同，采用了兩組感應(yīng)器來解決這一問題。將它們靠近，則對于干擾信號，兩組感應(yīng)器得到的信號可近似認(rèn)為是相同的，再加以反相處理，就可以將干擾信號消除。而對于目標(biāo)信號，電話線上的信號，可以人為將它放在其中任意一個感應(yīng)器上，這樣兩組感應(yīng)器對于電話信號來說是非對稱的，經(jīng)過反相處理不會被消除，可以輸送到放大器進(jìn)行放大。

2．并聯(lián)的線路感應(yīng)器

除了可以按照電路中將兩組線圈串聯(lián)之外，也可以將它們并聯(lián)，同樣可以達(dá)到消除環(huán)境中的干擾信號的目的；并聯(lián)時兩組線圈在各自的鐵芯中產(chǎn)生的磁場方向應(yīng)該相反?？梢赃@樣認(rèn)為，串聯(lián)是電流抵消法，并聯(lián)是電壓抵消法。經(jīng)過實(shí)驗，兩者的功能沒有明顯差別。兩個線圈無論用哪一種連接方法，都要注意方向；可用實(shí)驗的方式確定，目標(biāo)是使大環(huán)境的磁場干擾產(chǎn)生的電信號互相抵消。至于用理論方法進(jìn)行線圈磁場方向的判定，中學(xué)物理教科書中已有介紹，這里就省略了。

3．用線路感應(yīng)器制作電話接觸錄音頭

實(shí)際上由于免提電話的發(fā)明，電話增音器已無使用價值。但這種在電話線上感應(yīng)電話信號的方法可以用來制作電話接觸錄音頭。與電話線路錄音插座不同，這種錄音頭只需放到電話線上就可以工作，無需改動電話機(jī)和電話線路，使用起來十分方便。

四、夜間自動降低音量的電話鈴

設(shè)計背景

在臥室中使用電話會發(fā)現(xiàn)一個致命的缺點(diǎn)，就是到了夜間，電話振鈴聲十分吵鬧。特別是對于患有心臟病的人來說，夜間突如其來的電話簡直就是一次災(zāi)難。本作品巧妙地解決了這一問題，在白天它可以發(fā)出正常的振鈴聲音，到了夜晚，它會自動減低振鈴音量。

電路原理

電路圖見圖33-041。電路由振鈴電壓整流、濾波、音頻振蕩器、光控發(fā)聲器組成。每當(dāng)來電話時，振鈴電壓驅(qū)動整流電路，音頻振蕩器工作，由光控發(fā)聲器根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱發(fā)出來電話振鈴聲音；在白天，光敏電阻阻值很小，發(fā)聲器發(fā)出最大音量；到了晚間，光敏電阻阻值變大，音量減弱；在夜晚，環(huán)境完全黑暗，光控發(fā)聲器音量最弱。電路中加入了交流電壓門限電路，可以自動地阻隔電話聲音信號，所以無需任何開關(guān)和人為操作，實(shí)現(xiàn)了夜間自動減弱電話振鈴的目的。

圖33-041

制作要點(diǎn)

采用印刷電路板制作，體積小巧緊湊，可以將整機(jī)裝入一種電話線轉(zhuǎn)換盒中，見。通過調(diào)整音頻振蕩器的頻率，使之與壓電陶瓷片的共鳴箱諧振，可以獲得最大的音量。光敏電阻安裝在機(jī)盒內(nèi)，在頂部的位置上應(yīng)開一小孔，以保證光敏電阻獲得外界光線的照射。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗與思考

1．電話聲音信號阻隔電路

一般電話機(jī)都帶有聯(lián)動開關(guān)，當(dāng)摘下聽筒通話時，內(nèi)部的開關(guān)自動將振鈴電路關(guān)閉，以免影響正常通話。為了簡化設(shè)計，方便用戶使用，電路不設(shè)任何開關(guān)。那么它是如何解決通話時，并聯(lián)接在電話線路上的電話鈴不干擾電話的工作呢？電路采用了二極管導(dǎo)通電壓來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。我們知道，一個硅二極管的正向?qū)妷簽?.7V，一個發(fā)光二極管的正向?qū)妷簽?.8V左右；分析電路的振鈴電壓整流電路，電路中串聯(lián)接入了一個LED，這樣，加上全波整流電路中的二極管，共有2只硅二極管和1只LED，正向?qū)妷簽?.2 V。電話通話時，直流電壓在6～12V之間，據(jù)此估算，其中的聲音電壓分量應(yīng)在3V以下，為保險起見，電源電路中又串聯(lián)了一支普通二極管。電路中的LED還兼有振鈴時燈光提醒的功能。

2．最小振鈴音量的調(diào)整

光控發(fā)聲器是由一個串聯(lián)在壓電陶瓷片電路中的光敏電阻起作用的。一般光敏電阻在全黑環(huán)境中的阻值高達(dá)幾兆歐以上，這會導(dǎo)致在夜間振鈴音量消失，達(dá)不到提醒目的。所以在光敏電阻上并聯(lián)了一個數(shù)百歐姆的電阻。調(diào)整這個電阻的大小就可以調(diào)整夜間振鈴的音量。

3．振鈴電壓的整流電路分析

整流電路中，串聯(lián)在電話線路中除了必須使用的隔直流電容器之外，還串聯(lián)了2個電阻R6和R7。在最初的設(shè)計中，沒有使用這2個電阻。通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，如果在整流電路中不使用電阻，就會產(chǎn)生一個問題，那就是振鈴的音量較小。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，使用一組6V電池供電，振鈴可發(fā)出悅耳的音量；而用振鈴電壓通過整流，在電源電路及濾波電路中不使用電阻，所得到的直流電壓用電表測量高達(dá)9V，但音量小而且沙啞。電壓高音量反而小。這個問題得不到合理的解釋。后來，偶然在濾波電路中串聯(lián)了一個1kΩ的電阻，音量立刻變大。

這里面比較難于解釋的問題在于不使用電阻，整流后直流電壓并未降低，為什么音量比較小呢？

不過，不論其中的原理如何，今后在設(shè)計用電容隔直流或者降壓的整流電路中，都應(yīng)該串聯(lián)一個電阻，以保證電源電壓的穩(wěn)定。

五、來電話燈光提醒器

設(shè)計背景

這是一個用燈光代替聲音的電話“振鈴”，通常用在特殊的場合，比如周圍環(huán)境噪聲十分大，以至淹沒了電話鈴聲；或者用在特別安靜的場合，代替電話鈴聲；也可能為聾啞人提醒來電話之用。

電路原理

電路圖見圖33-051。電路由整流驅(qū)動電路、光控電阻器、晶閘管、白熾電燈組成。每當(dāng)來電話時，振鈴電壓通過整流電路驅(qū)動發(fā)光二極管閃亮，光控電阻器受控阻值變小，驅(qū)動晶閘管導(dǎo)通，電燈被點(diǎn)亮。由于整流電路中沒有濾波電路，驅(qū)動LED的電壓為頻率約為20Hz的脈動直流，所以來電話時，電燈發(fā)出同步的閃亮。電路直接接在電話線路上，無需開關(guān)。

圖33-051

制作要點(diǎn)

本電路采用了2只雙向觸發(fā)二極管；串聯(lián)在整流電路中的作用為自動隔離通話時電話線路的聲音信號；另一只作為晶閘管的觸發(fā)開關(guān)。晶閘管可用耐壓600V，2A的雙向觸發(fā)晶閘管。電燈可在15W～100W范圍選擇。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗與思考

1．電路的安全性能評價

電路有4條外部接線，2條接電話線（不分正負(fù)），2條接220V電源線。由于電話線路為公用低壓線路，所以必須防止220V電源通過本作品對電話線路產(chǎn)生任何影響。從電路原理分析，這兩種線路是互相隔絕的。它們通過光線進(jìn)行控制。安全的保證在于自制的光控電阻器的耐壓性能。如前面提到的制作光控電阻器的方法，發(fā)光二極管與光敏電阻的距離應(yīng)大于10毫米，可確保耐壓達(dá)到1000V以上。這樣，電路在使用中不會對電話的使用產(chǎn)生任何影響。

2．觸發(fā)二極管在整流電路中的作用

電路直接與電話線并聯(lián)，當(dāng)有電話振鈴時，會驅(qū)動電燈發(fā)光；當(dāng)打電話時，電話線路中的聲音信號會加到電路上。如果電路對聲音信號有旁路作用，則會影響電話的正常使用，所以必須加以避免。雙向觸發(fā)二極管串聯(lián)在電話線輸入的整流電路中，就起著隔離電話線中的聲音信號的作用。這是因為電話線路中聲音信號的電壓一般不超過5V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于觸發(fā)二極管的最低觸發(fā)電壓，所以電路對通話時的電話線路相當(dāng)于開路。

六、簡易電焊自動防護(hù)面罩

設(shè)計背景

電焊防護(hù)面罩主要有面部防護(hù)和眼睛防護(hù)兩部分。其中的眼睛防護(hù)最為重要?，F(xiàn)有的面罩上有一塊目鏡，通常是一塊烏黑的玻璃，將電焊時產(chǎn)生的強(qiáng)烈電弧光遮擋，起到保護(hù)眼睛的作用。但是它的致命缺點(diǎn)是由于目鏡黑，在沒有起電弧時，通過它無法觀察到工件的情況，從而影響了工作質(zhì)量和工作效率。使用電焊自動防護(hù)面罩，電焊時在準(zhǔn)備工作時，面罩的目鏡是透明的，一旦電焊起弧，面罩的目鏡自動變黑，起到保護(hù)眼睛的作用。

電路原理

電路圖見圖33-061。電路由控制接線、分壓器、限壓電路，液晶光閥片組成。控制接線一條接在電焊把線上，另一條接地。液晶光閥片為常暗型的，即在沒有驅(qū)動電壓時，光閥片保持黑暗；當(dāng)接入驅(qū)動電壓時，光閥片變透明。這樣，在接上電焊線時，電焊機(jī)的60～80V的空載電壓通過分壓器，保持在30V以上，雙向觸發(fā)二極管被觸發(fā)，驅(qū)動液晶光閥片變透明，人可通過目鏡觀察電焊現(xiàn)場的狀況。當(dāng)電焊起弧時，電焊機(jī)的電壓降至30V，這個電壓通過分壓器降至20V以下，不能驅(qū)動觸發(fā)二極管，液晶光閥片失去驅(qū)動電壓，重新變暗，目鏡隨之變黑，起到保護(hù)眼睛的作用。

圖33-061

制作要點(diǎn)

制作完成后，要用模擬的電壓進(jìn)行測試。對于觸發(fā)電壓在30V左右的雙向觸發(fā)二極管，電路圖中的數(shù)據(jù)是可靠的。應(yīng)保證在外加60V電壓時，液晶片變亮，當(dāng)外加電壓為30V時，液晶片變黑。如果不能達(dá)到要求，可調(diào)整分壓器的比例。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗與思考

1．液晶

液晶是一種神奇的物質(zhì)，用它制作的各種光學(xué)顯示裝置具有體積小、微功耗等功能，在數(shù)字時代得到日益廣泛的應(yīng)用。

液晶片在外加電場作用下，可改變透光性質(zhì)。這是因為液晶可將光線變成偏振光。液晶的這一性質(zhì)可根據(jù)外加電壓而改變偏振的方向，使光線的相位產(chǎn)生90度的變化。如果一種原來是透明的液晶片，當(dāng)外加一定的電壓后，里面的液晶通過的光線偏振角度改變了90度，則液晶片就變成了不透明狀。

將兩片相同的矩形液晶片重疊在一起，然后旋轉(zhuǎn)其中的一片，會發(fā)現(xiàn)在重疊的部分一會變亮，一會變暗。原來液晶片外部的玻璃是一種偏振片。光線穿過之后，會變成沿著一定方向振動的光線。

液晶光閥片具有很大的直流電阻；它具有電容性，每平方毫米大約為10pF。此外，必須用交流電驅(qū)動液晶片，否則時間長了會導(dǎo)致液晶片極化而損壞。

一般1片液晶光閥透明時與變黑時透光比約為8倍左右。在20攝氏度情況下，轉(zhuǎn)變速率約100毫秒；隨著溫度的降低，轉(zhuǎn)變速率迅速變慢。

液晶特性表

2．液晶光閥片透光性能實(shí)驗

液晶光閥片在透明時透光率是多少？

液晶光閥片在全黑時透光率是多少？

以上兩種情況透光率之比是多少？

設(shè)計一個實(shí)驗解決以上問題。

對于電焊防護(hù)面罩的目鏡而言，不同的焊接電流使用的目鏡也不同，有的更黑一些，有的稍淺一些。對于單片液晶來說，是無法滿足電焊時遮光的要求的。通常將2片液晶光閥片重疊使用；并且為了保護(hù)液晶片，還可在外面再加上一層普通玻璃片。

3．電路可靠性分析

對于眼睛防護(hù)來說，必須保證電路的可靠性。但是電路不可能做到萬無一失。問題是，如果電路出了故障，會對使用者發(fā)生傷害嗎？電路本身和線路最容易出現(xiàn)的故障是線路斷線或者電路接觸不良。通過分析電路可以看出，由于電路采用了在常態(tài)下為黑色的液晶片，只有在有驅(qū)動電壓時，液晶片才透光；電路一旦出現(xiàn)故障，都會導(dǎo)致液晶片失去驅(qū)動電壓而變黑，從而達(dá)到自動防護(hù)的目的?？梢?，本電路的可靠性非常高。

當(dāng)然，電路也不是無懈可擊，如果當(dāng)雙向觸發(fā)二極管被擊穿，則會出現(xiàn)起弧后目鏡不能自動變黑的事故。