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创客实用电子学（第 3 部分）

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2018年2月18日

CPOL

39分钟阅读

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对各种开关（水银开关、倾斜开关、滑块开关、磁簧开关）的进一步探讨，包括电路和我们第一个使用红外传感器的自动化电路。

背景

在“实用电子制作”的前两章收到如此友好的回复，让我非常受宠若惊。我最初的希望是能形成一个分享想法的社区，而这已经实现了。我尤其感谢那些拥有多年经验的读者，他们纠正了我一些问题，我已经回去进行了编辑。

在阅读本章时，请记住我是一名观察者/实验者，我努力获得第一手经验，然后尝试记录这些经验，以此来为他人指明方向，让他们可以从中出发。我发现这些东西很有趣，我想了解更多，所以我会做一些实验。通常，在尝试一件事时，我发现我必须学习另一件事，以便能解释我正在尝试的第一件事。

这一切都非常令人兴奋，但也充满挑战。我发现自己想同时解释很多事情，而且在写作过程中，有时我突然会理解我在实验时想要捕捉的画面，但又必须从写作回到拍照/实验，这会打断思路。然后，当我想要拍一张“简单的照片”时，我发现设置好并完美展现我想要的效果并不容易，或者在很多情况下根本不可能。很多挑战实际上让我觉得自己能力不足，有时，我相信我会放弃。然而，即使我放弃了，我仍然会进行实验、搭建和使用电子设备，并发现一些我想分享的东西，于是循环就会重新开始。

所以，我没有放弃，而是先把这些笔记提供给您，告诉您，我是一位观察者，也是一位有趣想法的收集者。我也会尽我最大的努力来解释这些想法，并记录实验过程，但我可能无法达到拍摄精美照片和撰写精彩解释的崇高目标，对此我深表歉意，希望您能继续支持我，并始终觉得我们的讨论很有趣。

~罗杰

第三章

您可以在CodeProject上阅读之前的章节

开关的重要性（续）

您需要准备的

我们将一起观察的内容

  • 查看多种开关
    • 水银
    • 倾斜/摇晃
    • 瞬时按钮
    • 滑块开关
    • 磁簧开关
  • 使用这些开关的电路
  • 磁簧开关的内部工作原理
  • 使用红外（IR）传感器自动化开关
  • 红外（IR）遥控器如何工作
  • 红外（IR）传感器的内部工作原理
  • 晶体管简介（电控开关）

引言

在开始撰写本章时，我就清楚了我的目标。我的想法是继续展示开关在电子产品中的重要性以及它们的普遍性。我相信，如果我能激发您对开关的思考，您就会发现自动化开关基本上构成了电子学的99%的魔力。

然而，即使在第二章之后，您可能仍然觉得开关并不是什么大事。这是因为我还没有带您深入了解开关。在本章中，我们将深入研究自动化一个或多个开关。我们将学习如何远程激活一个开关（以及相关的电路）。一旦我们看到这很容易做到，并且在我们继续探索几乎万物皆开关的旅程中，这将为您打开许多有趣的可能性。

快速示例想法

让我给您一个快速的例子。数码相机上用于拍照的按钮就是一个瞬时开关。当开关内的按钮触点闭合时，相机就会拍照。通常，一个人用手指按下按钮来拍照。

但是，如果我们想能够远程激活相机开关——在我们离相机一段距离时拍照。也许我们想把相机绑在几个氦气球上，让相机升入空中然后拍照。除非我们有办法远程激活开关，否则我们就无能为力了。

但是，假设我们破解了我们的相机，用一个导线替换了瞬时开关，该导线连接到蓝牙组件的一个输出端。然后，当蓝牙组件接收到信号时，它就会闭合开关电路，相机就会拍照，就像有人按下了按钮一样。

希望这能激发您的一些想法，并让您对学习更多知识后将要掌握的技能感到兴奋。为了完成这些项目，我想确保您真正理解开关的基础知识。

我在提供开关实验方面有所疏忽

在上一章中，我们花了大量时间来理解如何为电路供电以及面包板的工作原理，但我们并没有足够深入地研究开关。我现在要弥补这一点，通过

  1. 提供简单的开关实验（万用表通断测试），以了解不同类型的开关如何工作
  2. 引导您测量我们在第二章中构建的开关电路以及本章中将要构建的附加电路上的电流和电压
  3. 向您展示如何在面包板上测试您构建的电路的通断，即使存在LED的挑战（通断测试仪无法测试LED）等。

首先，让我们来看看一种过去很常见，但由于一些环境原因现在使用越来越少的开关。那就是水银开关。

如果您从未见过，我认为它会非常有趣，因为它提供了一种新颖的激活电路的思路。在某个时候，一位实验者发现水银导电，这促成了这个想法。

（图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Medvedev#/media/File:Mercury_Switch_without_housing.jpg）

这种开关由一个封闭的玻璃管、两根导线和一个水银滴组成。两根导线形成开路，直到水银沿着管子滑动，连接两根导线，闭合电路并允许电流流过。

这难道不是一个极其简单的想法吗？当水银位于管子远离两根导线的一端时，开关显然是关闭的（断开），当管子向上倾斜，水银滑到底部两根导线进入管子的地方时，开关就是打开的（闭合）。

您仍然可以购买水银开关

我惊讶地发现您仍然可以在网上为您的项目购买水银开关（http://amzn.to/2DdY5Au）。它们也很便宜，因为您十个只需要2.20美元。

当然，只要它们不破裂，它们就是绝对安全的。不过，我不会使用它们，因为有合适的替代品。

金属球倾斜开关

金属球倾斜开关价格稍贵一些，但也可以用来检测设备是否被晃动。

它们看起来有点像电容器（我们稍后会详细介绍），但实际上包含一个金属球，当圆柱体倾斜80度或更多时，它会滚动并驱动开关。要正确使用这个开关，您需要在电路中以一种方式连接它，使其一个引脚位于另一个引脚之上。然后，当圆柱体与地面平行时，开关是开路（断开）。当圆柱体的头部（远离两根导线的一侧）抬高80度或更多时，开关就闭合（接通）。

当然，倾斜开关不是极化的，但这种电容器（电解电容器）是极化的，并且有两条不同长度的引脚。您还可以看到电容器在筒体部分有一个狭窄的区域。

请记住，所有这些开关都遵循相同的原理：在电路中创建一个断开点，直到开关闭合并完成电路。

入门与熟悉开关

当我开始接触各种开关时，我经常发现很难仅仅通过观察来判断一个开关是开还是关。这显然是我们构建电路的重要部分，因为有时电路不工作，您需要排除故障。

由于开关只是在电路中创建一个断开点的方法，我们可以使用我们值得信赖的万用表和通断测试设置来测试所有开关。

瞬时按钮

我们在第二章中使用的瞬时按钮对我来说尤其棘手，因为它有四个引脚，而且并不完全清楚哪两组引脚应该用于控制开关的通/断。让我们开始测试该开关的通断。

在上面的图像中，您可以看到瞬时按钮的四个引脚中的三个。您还可以看到引脚有点弯曲，因此最靠近的两条引脚形成一个半圆（红色和黄色线条表示我正在谈论的两个引脚）。

如果您将通断表放在指示的两个引脚上，您会发现即使在未按下按钮时，它们也有通断。这个按钮作为开关的工作方式是与其他两个引脚配合使用。下方用黄色和橙色线条指示。

当您将通断表的一个探针放在每个引脚上时，您会发现直到按下按钮之前都没有通断。

另一侧的引脚也是如此。所以，在这种情况下，您实际上可以用这个按钮激活两个独立的电路。然而，它们会同时被激活。

在上一个章节中，我们构建了使用按钮的以下电路。

如果按钮的朝向不当，LED可能会一直亮着，这是由于我们刚才学到的关于引脚如何协同工作的原因。

滑块开关 SPDT（单刀双掷）

现在让我们来测试一下滑块开关，看看哪两个引脚是连接的。对于单刀双掷开关，最好将其中一极视为公共极，因为它将与其他两极结合使用。您可以在以下两张滑块开关的图片中看到。

中间的极（用黑线标记）是公共极，它根据您滑动开关的方向，与其他两个极（左和右——每个都用红线标记）中的一个形成一个完整的电路。显然，当您将开关向右滑动时，右极与公共极形成电路。当然，当您向左滑动时，是左极形成电路。

就像上面的按钮一样，您可以激活两个独立的电路，但在这种情况下，它们是互斥的——当一个被激活时，另一个就不会。

回到通断表

使用万用表的通断模式可以帮助您理解开关内部的运作，当您无法实际看到它时。如果您有一个水银开关，您可以将万用表的探针连接如下

此时，您将没有通断，因为水银位于远离两根导线的一端，没有形成电路。这是一个开路。

然而，如果您将水银开关的右侧抬起，水银会因重力开始移动，在某个时刻，水银会接触到两根导线并形成电路，您的万用表会发出声音，表明有通断。

这一点在水银开关上更容易理解，因为我们可以看到玻璃管内部。但是，我们正在使用的倾斜/摇晃开关是不透明的，我们看不到它们里面的球和两根导线，所以使用通断表可以帮助我们更好地理解在最小倾斜角度下这些开关会接通。

测试倾斜/摇晃开关

利用重力打开/闭合开关

我们已经看到，倾斜开关和水银开关利用重力来完成或断开电路。

请记住，完整的电路是接通的，开路（不完整的）电路是断开的。其他开关使用磁性来实现相同的功能。

利用磁性打开/闭合开关

这是一个很好的利用磁铁来打开和关闭开关的例子。它实际上由两部分组成。

这两部分组合起来形成一个磁簧开关，有两个状态（单刀双掷），因此每个部分都可以控制一个独立的电路。这就像我们的滑块开关一样。这两个状态是互斥的，一次只有一个能接通。

每个部分都有一个小箭头（在左侧），您可以将它们相互指向，以便轻松确定两部分应如何对齐。您可以看到有三个独立的螺钉，用于连接电路中的导线。第一个（左侧）标有COM（公共）。中间一个标有NC（常闭）。最后一个标有NO（常开）。

这意味着当两部分距离较远时，NC是闭合的（接通）而NO是开路（断开）。但是，当两部分靠近时，顶部组件中的磁铁会吸引底部组件中的一个小簧片开关（细金属片），NC会变为开路（断开）状态，NO会变为闭合（接通）状态。

我从解释继电器（一个由电驱动的磁簧开关）工作原理的维基百科文章中截取了以下图片，以便向您展示磁簧开关的工作原理。

第一张图片代表了底部组件中的电路（带有COM、NC、NO标记）。

您可以看到标为C的圆圈就是我们的公共端。已经闭合的电路部分（C到B）是NC（常闭）部分。而开路的电路部分（C到A）显然是常开。当顶部组件不靠近（不足以让其磁场影响底部组件）时，底部组件内部的电路看起来就是这样。让我们将电路示例翻转并叠加到实际开关的图片上。

当开关的上部远离底部组件时，电路看起来是这样的。它处于常闭状态，在示例中，红色LED会点亮。

然而，当上部靠近时，磁铁会向上拉动底部开关的金属条，并连接C到A的电路，红色LED熄灭，绿色LED点亮。

您能听到这个开关

确保您的磁簧开关未连接任何电路或电池电源，将两部分靠近您的耳朵。将标有（COM、NC、NO）的一侧靠近您的耳朵，将另一侧移开然后再次靠近。您应该会听到轻微的咔哒声，因为未标记的一侧的磁铁每次都会移动开关。它非常安静，所以您需要在安静的环境中才能听到。

常用于报警系统

这类开关常用于报警系统，因为您可以将磁铁一侧固定在窗户或门的移动部件上，而标记的一侧固定在不动的底座上。一旦对齐并且窗户或门关闭，NC侧将是开路（断开）。如果您接着连接一个能激活灯、蜂鸣器或铃声的电路，那么您就能随时得知窗户或门何时被打开。

这些开关非常简单，同样，我认为一旦您了解了它们的工作原理，您的脑海就会开始构思您可能想要尝试的使用方法。

让我们来看看上章的滑块开关电路，并用磁簧开关替换滑块开关。

这是我在面包板上搭建的电路的图片。

电路图相对于电路图片显而易见的优势

这张图只是让您对如何在面包板上布置物品有一个概念，但总的来说，这些面包板电路的图片并不好。这是因为在某些地方很难确定哪些导线相互连接（导通）。这就是为什么人们发明了示意图符号和图表。在示意图中，您可以更轻松地看到哪些组件是连接的。

示意图的重要性

这就是为什么真正理解电路图如此必要。它们更加精确，可以帮助您准确地重现电路。此外，您可能需要以不同的方式布线，以便电路能够安装在您的外壳或空间中，而电路图告诉您需要连接什么，而不是每个组件的确切位置。

这是对电路右侧的尝试，当滑块向右滑动时激活，但效果不佳。

这是原始电路图，更清晰地显示了实际连接的内容。

我们只需要替换SW3为我们的磁簧开关。现在我们就来做。

这是用磁簧开关搭建的相同电路。第一张图片显示了没有第二部分（开关的顶部磁铁部分）的情况，因此NC电路已接通（绿色LED亮起）。

当我们把第二个顶部部分移近时，您可以看到左侧电路熄灭，右侧电路（红色LED）点亮。

您不必使用两个电路

尽管我使用两个电路来展示如何使用两个不同的电路，但您当然不必在您的系统中拥有两个电路。大多数情况下——例如在报警系统中使用时——只使用电路的左侧（NC）侧。这是因为在大多数情况下，您只想知道何时顶部（磁铁侧）移开（表示门或窗户已打开）。

系统外部的力

另请注意，当我们谈论这些类型的开关时，它们会利用系统外部的某种力来激活（打开/关闭）它们。对于倾斜开关和水银开关，必须有东西使它们上下移动。对于这个磁簧开关也是如此，因为必须有东西将它们分开或合拢。

当然，对于我们其他的基本开关（滑块、拨动、按钮）也是如此。这使得这些开关难以从远处（或远程）进行操作。然而，如果您考虑倾斜开关，您绝对可以想到一些情况，您可以将它们放置在某些其他力（如风或动物）可能会引起某些东西移动的地方，从而改变倾斜开关的角度，闭合开关并激活您的电路。

当然，我一直在强调使用万用表的通断设置，以便您可以确定可能导致电路不工作的因素。这是因为我经常发现自己的电路不工作，而没有简单的方法去问别人原因。您拥有的越好的方法来检查自己的电路，您就会越成功。

然而，有时即使您的电路工作正常，您的通断测试也会失败。

通断测试失败的地方

了解通断测试可能失败的原因非常重要，这样您就不会试图修复错误的事情。

LED的通断

让我们尝试测试一个LED的通断。将正极（红色）探针放在LED的正极引脚上，将负极（黑色）探针放在LED的负极引脚上。您不会听到任何声音，您可能会认为LED坏了，但很可能不是。您无法用万用表测试LED的通断。

为什么不能用万用表测试LED的通断？

要理解为什么不能用万用表的通断设置来测试LED，我们需要理解万用表在测试通断时是如何工作的。

它只是在探针上施加一个小的电压和小的电流来创建一个小的电路。用万用表的通断设置来测试LED的问题是，它施加的电压和电流低于LED所需的电压/电流。

有一种方法可以在万用表上测试二极管。但不是点亮LED或发出声音，您会看到万用表测量LED两端的电压降（点亮LED所需的最小正向电压）。

在我的万用表上，我的表盘仍然设置为通断测试，但我需要按一个额外的按钮切换到二极管测试。您可以看到我的表盘指向通断/二极管符号。但是，要将我的万用表置于二极管测试模式，我必须按一个按钮在两种模式之间切换。

当我按下那个按钮时，当LED连接在正负探针之间时，屏幕上会发生三件事：

  1. 屏幕左上方出现一个二极管。
  2. 屏幕显示它现在正在测量电压。
  3. 屏幕显示我的红色LED工作所需的最小正向电压。

在这种情况下，当红色LED连接在两个探针之间时，万用表显示1.613伏是点亮LED所需的最小正向电压。

让我们现在连接一个绿色LED，看看有什么不同。

绿色LED显示您需要1.795伏（约1.8伏）才能点亮。这也是为什么在电路中使用相同尺寸（220欧姆）的电阻时，绿色LED会比红色LED暗。它耗散的电压更高，发出的光更暗。

您的电路也会有这个问题

由于您无法通过普通的通断测试来测试LED，这也意味着如果您尝试测试包含LED的电路的通断，万用表将无法正确告诉您是否有通断。但是，仍然有一种方法可以克服这个挑战，并且理解如何绕过它将有助于您未来的所有电路构建。

单独测试电路部分

如果您的电路不工作并且包含LED，您只需逐一测试电路的各个部分，直到找到一个区域没有通断。面包板上的连接丢失的频率比您希望的要高。

电路通断测试的第一条规则

关闭所有电源。断开电池连接。请记住，通断表将向电路施加一定的电压并发送一定的电流，所以我们不希望电池电流和电压施加到电路中。

在确保电路没有其他电源后，选择一个好的起点，开始测试通断。

在这里，我将红色探针接触红色导线，将黑色探针接触绿色LED的第一个引脚（正极侧）。（黄色线条是指示线。）我得到了一个好的蜂鸣声，所以我知道导线和第一个引脚通过面包板已连接。

现在，如果我尝试将红色探针移到绿色LED的第二个引脚（负极），则通断测试将因我们前面解释的原因而失败。

而不是试图继续拍摄显示实际探针的照片，我将向您展示电路，并使用线条显示您将在何处移动每个探针，以便您可以检查整个电路。

极性无关紧要：探针颜色无关紧要

我用黄色线条标记了您应该放置探针的位置，因为使用哪个探针进行这些测试并不重要。通断测试没有极性概念。我们只测试这两个点是否实际连接。

请注意，在之前的测试中，我跳过了一些位置。

首先，我不测试电阻两端。我不测试电阻两端的原因有二：

  1. 我假设我们的组件是正常工作的组件（它们自身有通断），所以没有必要。
  2. 该电阻是220欧姆的电阻，通断测试施加的电压不足以穿过电阻，这会导致您的通断测试出现假失败。

在我的第一次测试中，我也假设只要导线在同一个面包板列孔中，它们就是连通的。当然，我们知道面包板就是这样工作的，然而，有时面包板内部的一个夹子松了，没有接触到我的导线，导致通断失败。我的观点是，我假设面包板和组件正常工作，直到我测试完所有其他东西仍然找不到问题。只有到那时，我才会测试那些可能不寻常的。

这一切的重点：连接会失败

这一切的重点是：

  1. 这样您就能理解您的电路如何工作。了解电路中的连接点在哪里。
  2. 当您的电路突然失败或一开始就无法工作时，您就知道该怎么做。我们正在快速构建这些电路并组合零件，而面包板是用于快速原型制作和学习的，但所有这些都会导致连接薄弱，而您的电路有时会失败。了解这一点将为您节省大量未来的时间。

现在我们有了一个可靠的电路测试流程，我们可以继续自动化一些开关。

我们可以制造的最简单、最便宜的自动化开关之一是包含红外（IR）传感器的开关。您只需花费1到2美元就可以获得这些红外传感器。

接下来您将构建的电路直接来自AdaFruit网站，您可以在那里获得红外传感器：https://learn.adafruit.com/ir-sensor/testing-an-ir-sensor。注意：在构建Ada Fruit的测试电路时，我注意到它有些错误。它使用了6V，而我们只使用了3V。在查看IR传感器的技术数据表时，我们会讨论这个问题。

下拉电压

这个电路非常小巧，易于构建和测试。它还为我们展示了另一个概念：下拉电压。

一旦我们构建了这个电路，您就会看到LED在您使用电视遥控器（或其他类似的红外遥控器）指向红外传感器并按下按钮之前不会点亮。

一旦您按下IR遥控器上的一个按钮（并按住它），它就会闪烁其IR LED，发送红外脉冲。红外线人眼无法检测到，因为它比人眼能捕捉到的频率更高。红外光也自然存在，但您从未见过它，因为您的眼睛无法捕捉到它。

然而，几乎每个人每天都随身携带一个工具，可以让他们看到红外线。

智能手机上的数码相机

如果您想确保您的IR遥控器确实在工作，您可以打开智能手机相机，将IR LED指向您的相机并按下按钮。如果IR遥控器正常工作，当您查看智能手机屏幕时，您应该会看到LED点亮。当然，如果您直接看IR LED，您将看不到任何东西。没错。您的智能手机相机可以检测红外线并为您显示。是不是很酷？

这是我们即将构建的电路的原理图。首先，请注意我们使用的是3V电池电源（而不是AdaFruit示例中的6V）。接下来，请注意我们使用的是22欧姆电阻，因为我们使用的是较小的电池电源。这将允许足够的电流流过LED，以确保它足够亮。

接地：低电压点

这个原理图的绘制方式略有不同。有一个新的符号，看起来像一个向下箭头。该符号代表接地。即使原理图没有显示这两个接地点的连接（电池的负极和IR传感器的GND引脚），它们也被认为是连接的。好吧，它们被认为是连接到地的。您会发现这是原理图中显示组件连接到地的一种常见方式。这有点像一种速记，因为您不必从GND引脚画一条连接到电池负极的线。

此外，您可以看到原理图中IR传感器的引脚排列方式与实际组件不同。这只是为了使原理图绘制得尽可能清晰。在实际生活中，当您连接电路时，您可能会发现需要以各种方式弯曲导线才能正确连接，这是正常的。

让我们来谈谈这在面包板上可能会如何工作，因为它可能有点令人困惑。

面包板的接地轨

在您的面包板上，我们显然可以使用接地轨。您可以将电池负极的一根导线连接到接地轨。然后，每个需要接地的连接（在本例中只有一个来自IR传感器的引脚）只需连接到接地轨。如果电路中有其他需要接地的组件，我们只需将它们连接到该轨。这是因为一旦面包板的接地轨连接到电池的负极，整个轨就成为地。

这是我的电路在面包板上的样子。

这是当我按下电视遥控器上的按钮发送IR（红外线）时的样子。

遥控器上的小红灯是遥控器制造商提供的，因为他们知道人们看不到红外线，如果没有这个灯，他们就不会知道遥控器是否在工作。

当然，在图片中，我把遥控器放得很近，以便您能看到它，但这款传感器可以接收30英尺以外的红外线。

一旦您知道您的遥控器在工作并且已经构建了电路，那么就将遥控器指向您构建的电路上的IR传感器，并按住遥控器上的一个按钮。当您这样做时，您应该会看到您构建的电路中的LED点亮。

对红外传感器的更详细理解

让我们更仔细地看看当红外传感器检测到红外光时会发生什么。

技术数据表提供了详细信息

为了更好地理解这个电路和红外传感器的作用，我们需要检查更多关于红外传感器的细节。让我们看看提供了大量细节的技术数据表。

但是，不要被这份文件压倒。相反，只需关注您能理解的部分，随着时间的推移，您会越来越熟悉技术数据表，它们就不会那么令人生畏了。我将引导您了解对我们或我们的讨论有意义的技术数据表的部分。

三个连接是红外传感器的三个引脚

首先，请记住，原理图组件上的三个连接就是实际红外传感器上的三个引脚。

当您以相同方向握住红外传感器的传感器部分时，技术数据表会告诉我们每个引脚代表什么。

引脚定义

所以，当您面对看起来像圆顶或气泡的红外传感器部分时，左边的引脚是引脚1（输出），中间的引脚是引脚2（GND=接地），右边的引脚是引脚3（Vs供电电压）。

这些信息非常有用，因为您不想把引脚弄反，不小心将电压施加到输出引脚，或将引脚3连接到地，因为该设备显然无法那样工作。

当然，就像其他组件的技术数据表一样，这份文件提供了关于最大和最小电压和电流的信息。

这些很重要，这样我们才不会提供过多的电压或电流给设备，以免损坏它，并且我们明白如果提供的低于最小值，设备将无法如预期那样工作。

在本例中，我们使用两节AA电池供电，约为3V。

让我们进行一些测量，看看在不同点的实际数值。

此电路工作原理基础

这个东西的工作原理是，引脚1（输出）上的电压保持高电平，直到红外线（IR）照射到传感器。

电压是关于差值的

由于电压保持高电平，这意味着没有电流流过LED。这是因为当引脚1（输出）上的电压保持高电平时，LED的两个引脚之间没有电压差：它们基本上都处于相同的电压。然而，当红外光照射到红外传感器时，内部电压就会关闭（电压被驱动为低）。当输出引脚（引脚1）被驱动为低电平时，LED的两个引脚之间会出现电压差，只要传感器接收到红外光，电流就会流过。

这正是我们在前几章中学到的关于电压的知识。必须有电压差才能产生电流。过去，我们看到电池可能提供3V，然后我们创建一个流向0V（地）的电路。但是，如果电池与电路中的另一点之间没有压力差，那么就不会有电流流过。

红外传感器利用了这种精确的电力原理，直到检测到红外线才阻止电流流动。当检测到红外线时，输出引脚上的电压就会被拉低（或驱动为低），从而产生电压差并允许电流流过。

这是一个您将在电子学中反复看到的好主意。

技术数据表中还有更多信息可以帮助我们理解红外传感器是如何做到这一点的。

与许多图表一样，初次看到时您可能会完全感到困惑。解决办法是尝试分解您可能已经知道的部分。例如，我看到1、2和3，我猜测这些是组件的引脚。

这里有几个新的原理图符号，您以前没见过。在最左边，有一个二极管符号，上面有指向二极管的箭头。

我们知道，带有箭头指向二极管的二极管符号（）是LED

所以您可能猜到，这个（）是红外传感器。进来的箭头代表进来的红外信号。

从这个框图可以看出，红外传感器接收信号，然后经过一些电路部分（输入、AGC、带通、解调器和控制电路）。我也不知道那些是什么，超出了我们讨论的范围。

但是，如果我们看框图的最右边，有一些线索可以帮助我们更好地理解红外传感器的工作原理。

在右边，我看到一个30K欧姆的电阻（30,000欧姆），它连接在引脚1和引脚3之间。

请记住，这是一个框图，所以它使用的是伪原理图符号，电阻显示为一个方块而不是普通的锯齿线。我知道它是一个电阻，仅仅因为框图显示了欧姆符号代表电阻。

该电阻也连接到另一个组件，只需一点点现在我们将学到的知识，就可以帮助我们理解这个红外传感器组件实际上做了什么。

这个组件包括向外指的箭头（底部），黑色矩形以及连接到电阻底部黑点（连接点）的线条是一个晶体管。

晶体管的上部引脚连接到电阻和红外传感器的引脚1。

这是晶体管在普通原理图中的样子。

原理图更清楚地表明晶体管有三个连接点。当您看到一个真正的晶体管时，它有三个引脚，这会更清楚。

这是一个NPN类型的BJT（双极结）晶体管。还有PNP类型的BJT晶体管。P和N是能够控制电流流动的材料类型，这些材料是晶体管发明背后的魔力。N和P材料是半导体材料的类型。这些材料在某些情况下导电，在其他情况下绝缘（不导电）。这就是为什么它们被称为半导体——有时导电，有时不导电。

2N3904是零件号，还有其他具有不同特性的晶体管（2N2222）。您可以在其技术数据表中找到它们不同的电特性，但它们的工作方式类似。

然而，现在这一切对我们来说并不那么重要。重要的是晶体管有三个引脚，分别命名为基极、集电极和发射极。

基本上，对于NPN类型，当基极电压低时，集电极和发射极之间没有电流流过。这对我们很重要，因为正如我们所说，红外传感器通过保持引脚3上的电压为高电平直到它感应到红外线来阻止电流流过。

这就像一个开关

请记住，晶体管就像一个开关。它不是在电路中创建一个开路（断开）点，而是由于其他原因阻止电流流过。由于半导体的特性，直到基极引脚上出现电压，它才允许电流流过。

这样，晶体管就充当了一个电压激活的开关。当基极有电压时，电流就会流过。当没有电压时，就没有电流流过。

整个传感器的总结

所以我们可以看到，当传感器没有接收到红外线输入时，晶体管基极引脚上没有电压。然而，当红外线进入传感器时，电子元件会以某种方式将红外线转换成出现在基极引脚上的电压。当该电压出现在晶体管的基极引脚上时，输入电压（红外传感器引脚3）中的电流就可以流过。当它流过时，它会通过30K欧姆的电阻并从引脚1（输出）流出。当电流从传感器引脚1流出时，我们连接的电流会流入LED的正极引脚，并从负极引脚流出到电阻，再从接地引脚（红外传感器引脚2）流出。它可以流动，因为接地引脚不再是3V（没有电压差），而是现在（有红外线存在时）是0V。

需要记住的重要一点是，红外传感器及其电路就像一个开关。由于它是一个由红外线激活的开关，您可以远距离发送红外线并使用此组件作为远程开关。这有助于我们开始自动化我们的电路。

让我们在本章的最后，尝试测量两种状态下（有红外线和无红外线）LED两端的电压。然而，当我们这样做时，我们将看到一些最初看起来奇怪的结果，但在我们讨论红外遥控器和我们的万用表实际工作原理后就会变得有意义。

让我们尝试测量红外线照射传感器时的电压

要测量存在的电压，您可以简单地

  1. 将万用表设置为测量直流电压
  2. 将两个探针分别夹在LED的相应引脚上（正极对正极，负极对负极）
  3. 在没有红外线的情况下测量
  4. 将遥控器对准红外传感器并按下按钮

这是我的设置后的样子。

我只是将探针夹好，以便更容易拍照并确保探针与LED有牢固的连接。

这是没有红外线时的第一次测量。您可以看到万用表实际测量到0.7mV。这是一个可以忽略的量，这是因为万用表的工作方式。

万用表如何测量电压

测量实际上是时间序列的平均值。电压表实际上每秒测量多次，然后对这些值进行平均。这也解释了为什么我们下一步有红外线时的测量结果似乎显示的电压实际上低于LED所需的正向电压。

这是我将遥控器对准传感器并按下按钮时拍摄的快照。

您可以看到万用表仅显示122.9mV。然而，我们知道这些红色LED需要大约1.8V才能点亮。为什么会这样？

红外遥控器

首先，我们必须了解IR遥控器是如何工作的。当您按下按钮，IR LED在遥控器中闪烁以向接收器（通常是电视）发送信号时，LED实际上是在以一种模式闪烁。这种模式类似于发送摩尔斯电码。IR遥控器（发射器）实际上发送一些闪烁模式，每按一个按钮发送的模式都不同，以便电视或其他设备在另一端能够解码并理解您点击了哪个按钮。关键在于，当您按下按钮时，IR LED会以每秒数百次的速率闪烁。

由于红外线正在闪烁，红外传感器足够快地捕捉到每一次闪烁，并且只为每一次闪烁产生一个电压脉冲。这意味着来自红外传感器输出引脚的LED两端的电压只是间歇性地开启几毫秒。

这反过来又产生了足够的总体电压来保持LED点亮，但当被灵敏的万用表测量时，它知道平均电压只有122mV。

让我们尝试测量流过LED的电流。

测量电流

请记住，要测量电流，万用表必须成为电路的一部分。换句话说，我们让电流直接流过万用表。为了设置它，我将红色导线的末端从面包板上拔出，并将其连接到红色探针。接下来，我将黑色探针夹在LED的第一个（正极）引脚上。

在下一张图片中用黄色线条标记。

您可以看到，在有红外线（无遥控器）之前，万用表测量到的电流是名义值（0A）。

当有红外线时，您会看到实际电流。

在这种情况下，万用表测量到0.73mA。这比这些LED的额定值要小很多，但同样，这是因为红外传感器非常快速地打开和关闭电路而产生的平均值。

我们已经学了很多，并且学到了很多。最重要的事情是，您正在学习的所有概念都有助于建立坚实的基础，因为它们是您在未来所有项目中都会不断看到的东西，并且它们有助于您走向自给自足，这样您就可以构建和设计自己的电路。

下次：第四章

以下是下次我们将要涵盖内容的快速列表：

  • 电阻
    • 色码
    • 用万用表测量电阻
    • 功率（P=EI）和散热
    • 串联电阻在电路中的组合
    • 并联电阻的组合（显示公式）
    • 电阻如何帮助分压（降低电压）
    • 电位器（可变电阻）展示通过增加电阻来关闭LED
  • 电容器
    • 储存电荷的能力称为电容
    • 电池通过在电容器极板上产生电压差来产生电场。然后，由于存在电压差，当您移除电池时，积聚的电子将从高侧流向低侧。
    • 电容以法拉（F）为单位测量
    • 计算电容器充电时间 T = R x C （时间 = 电阻（欧姆）x 电容（法拉））
    • 一个法拉的电容器可以在一伏特电压下储存一库仑的电荷。这意味着它可以提供一安培的电流一秒钟。
  • 晶体管
    • 使用晶体管和电容器构建闪烁电路

历史

  • 2018年2月18日：首次发布
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