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电路模型设计与制作

发表时间:2015-4-25  作者:admin  浏览次数:3877  
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电路模型设计与制作

江西冶金职业技术学院  刘昆山 刘星慧

我们主张,电子初学者要采用万能板焊接电子制作作品,因为这种电子制作方法,不仅能培养电子爱好者的焊接技术,还能提高他们识别电路图和分析原理图的能力,为日后维修、设计电子产品打下坚实的基础。

上一篇文章我们重点介绍了焊接技术基本知识、五步焊接法和拖焊技术,要求完成2到3块万能板的拖焊技术训练。本文将在设计与制作电路模型的过程中学习掌握电路模型的概念和电路的组成结构;掌握电路的基本物理量和基本定律,包括电流、电压的参考方向;电流、电功率和电位的计算;欧姆定律等重要概念。在“边学边做”的自学模式下掌握电子技术,进一步训练拖焊技术。

一、电路模型功能介绍

什么是电路?简单来说,电路就是电流可以流通的回路。无论简单电路还是复杂电路,都是由电源、负载、连接导线及控制电器这三个基本部分组成。电路可以实现电能的传输、分配和转换,可以实现电信号的传递、变换、存储和处理。

什么是电路模型?用抽象的理想电路元件及其组合,近似地代替实际的器件,从而构成了与实际电路相对应的电路模型。理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似,其电特性单一、精确,可定量分析和计算。

图1是实际制作的一个简单的电路模型:


图1电路模型实物图

本制作套件主要是为了学习电路的组成,讲述电路的基本物理量和基本定律,其中包括什么是电流、什么是电压等重要概念。进一步训练拖焊技术,向电子入门迈出了重要的一步。

二、原理图

2 电路模型焊接装配图与电路模型原理图

三、工作原理

本电路主要由5V电源(或三节5号电池)、轻触开关、发光二极管、电阻构成。

电源是提供电能或信号的装置,能将其他形式的能量转换为电能,是产生电流的源泉。本设计电路采用了三节5号电池作为电源。

负载是用电设备的总称,本电路中发光二极管、电阻可以看着负载,它们可以将电能或电信号转变为人们所需要的其他形式的能量或信号。发光二极管将电能转变为光能,电阻将电能转变为热能。

发光二极管,通常称为LED,内部是具有发光特性的PN结。当给这个PN加正向偏置电压时,PN结导通,依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。

发光二极管引脚有正负之分,一般长的为正,短的为负。也可以从内部看到,接触面小的为正,接触面大的为负。外边有切口的为负,另一边就为正。发光二极管外形如图3所示。

图3 发光二极管外形

电阻器,通常简称为电阻,是一个限流元件。将电阻接在电路中后,电阻器的一般是两个引脚,起到限制支路电流大小的作用。本设计电路使用的是常见的五色环电阻,颜色分别为棕、黑、黑、棕、棕如图4所示。

图4 电阻色环识别图

即100X101=1000欧姆=1K。这是如何算出来?当然是用色环法读出的。

所谓色环法既是用不同颜色的色标来表示电阻参数。色环电阻有4个色环的,也有5个色环的,各个色环所代表的意义如图5所示。

图5 电阻色环值含义

根据电阻上的色环位置不同,其代表的意义也不一样,以五色环为例介绍每条色环的意义,如图6所示。

图6 色环的意义

读取色环电阻的参数,首先要判断读数的方向。一般来说,表示误差的色环离开其他几个色环较远并且较宽一些。判断好方向后,就可以从左向右读数。

例如,某5色环电阻的颜色从左到右依次是棕(1),黑(0),黑(0),棕(1),棕(正负1%),则此电阻的阻值为:

100X101=1000欧姆=1K,误差为正负10欧姆。

轻触开关,又叫按键开关,由嵌件、基座、弹片、按钮、盖板等组成,轻轻按下开关接通,松开即断开。本电路使用的是四脚轻触开关,在轻触开关底部我们可以看“北”字图形,如图7所示。


图7 轻触开关工作原理

连接导线和控制器(开关)是电源和负载之间的连接设备,用来传输、分配和控制电能和电信号。

电路有三种工作状态,即是通路、开路、短路。

开关K1按下后,电路处于导通状态,既是通路,发光二极管被点亮;

开关K1弹起(打开)后,电路处于断开状态,既是开路路,发光二极管被熄灭;

还有一种短路状态,就是负载两端被导线短路,或者用电器不应该接触的地方被连接起来了,电路中出现很大的电流,可能会损坏电气设备。尤其是电源直接短路会形成很强的电流,在没有保护设置下很容易烧毁电源。

四、元件清单及实物图

电路模型件列表

序号

名称

代号

规格

数量

备注

1

电阻

R1

1K

1

2

发光二极管

D1

3MM

1

3

轻触开关

K1

6*6*7

1

5

万能板

玻纤板7*9

1

6

单排针

 

1*4PIN2.54mm

2

7

焊锡及导线

0.8凯纳/0.5单股

1

 

 

图8 元件清单实物图

 

五、安装与调试

1、实际电路安装

根据装配原理图,按照正电源插针、轻触开关、电阻、发光二极管的焊接安装顺序实际制作电路,制作成功后,接通电源的效果如图1所示,反面走线如图9所示。

图9 电路模型反面走线图

2、电路参数调试与检测

(1)什么是电流?

导体中的自由电子在电场力的作用下做有规则的定向运动就形成了电流。科学上把单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度,简称电流。通常用字母 I 表示,它的单位是安培,符号A。

定义公式:

Q为通过导体横截面的电荷量,单位是库仑,t为电荷通过导体的时间,单位是秒。

物理上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向,电流运动方向与电子运动方向相反。

电流的国际单位制为安培(A),常用的单位还有毫安(mA)、微安(μA)等。

(2)什么是电压?

电压,也称作电势差或电位差,是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所作的功,

定义公式:

其中,WAB为电场力所做的功,q为电荷量。

电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向,电压的国际单位制为伏特(V),常用的单位还有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。

用万用表电流档测试电路中的电流,可以接在轻触开关两端测电流,注意轻触开关要断开;用万用表直流电压档测电阻和发光二极管两端的电压,注意轻触开关要闭合;图10是制作成功的产品后调试方法图:

图10 电路参数检测电路

测到的支路电流为:3.15mA,电路导通时的二极管电压为:1.83V,    电路导通时的电阻电压为:3.14v。店主使用的是数字万用表检测,有一点点误差。

六、作业自我检测

(1)电路由哪几部分组成,各部分的作用是什么?

解析:电路一般由电源、负载和中间环节三大部分组成。电源是电路中提供电能的装置,其作用是将其它形式的能量转换成电能;负载是电路中接收电能的装置,其作用是将电能转换成其它形式的能量;中间环节包括连接导线、开关及控制保护设备及测量机构,它们是电源和负载之间不可缺少的连接和控制部件,起着传输和分配能量、控制和保护电气设备的作用。

(2)试述电路的分类及功能。

解析:工程应用中的实际电路,按照功能的不同可概括为两大类:①电力系统中的电路:特点是大功率、大电流。其主要功能是对发电厂发出的电能进行传输、分配和转换。②电子技术中的电路:特点是小功率、小电流。其主要功能是实现对电信号的传递、变换、储存和处理。

(3)何谓理想电路元件?如何理解“理想”二字在实际电路中的含义?何谓电路模型?

解析:理想电路元件是从实际电路器件中科学抽象出来的假想元件,由严格的定义来精确地加以阐述、理想电路元件是具有单一电磁特性的简单电路模型单元。

电路理论中研究的都是由理想元件构成的、与工程应用中的实际电路相对应的电路模型。在实际的电路中,“理想”电路元件是不存在的。白炽灯、电炉等设备,只所以在研究它们时可以把它们作为一个“理想”的电阻元件进行分析和研究,原因就是它们在实际电路中表现的主要电磁特性是耗能,其余电磁特性与耗能的电特性相比可以忽略;工频电路中的电感线圈只所以用一个电阻元件和一个电感元件的串联组合来表征,原因就是:在工频情况下,电感线圈的主要电磁特性就是线圈的耗能和储存磁场能量,其余电磁特性可以忽略。从以上分析可以把“理想”二字在实际电路中的含义解释为:“理想”就是一种与实际电路部件特性的“基本相似”或“逼近”。采用“理想”化模型分析实际问题,就是抓住实际电路中的主要矛盾,忽略其中的次要因素,预测出实际电路的性状,从而根据人们的需要设计出更好的各种电路。

电路理论是建立在模型概念的基础上的,用理想化的电路模型来描述电路是一种十分重要的研究方法。由理想电路元件构成的、与实际电路相对应的电路图称为电路模型。

4.你能说明集总参数元件的特征吗?你如何在电路中区分电源和负载?

解析:集总参数元件的特征就是:在元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行,其次要因素可以忽略的理想化电路元件。对于集总参数元件,任何时刻从元件一端流入的电流,恒等于从元件另一端流出的电流,并且元件两端的电压值是完全确定的。

在电路中区分电源和负载的方法,一般是根据计算的结果来看:若元件发出功率(即元件两端电压与通过元件的电流的实际方向为非关联方向),说明元件是电源;若元件吸收功率(即元件两端电压与通过元件的电流的实际方向为关联方向),说明元件是负载。在计算前一般要根据元件两端电压和通过元件中的电流的参考方向来假定,当电路模型中所标示的电压、电流为非关联参考方向时,应按电源处理,若电路模型中标示的电压、电流为并联参考方向时,就要按负载处理,而确定元件的真实性质则要根据分析计算的结果来定。

 

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