1.2 實戰操練：設計發光二極管電源指示電路

圖1-22所示為一種LED電源指示燈實物的示意圖和電路圖。LED是發光二極管的英文縮寫。發光二極管指示器可以用來指示電源、電路的工作狀態和各種信號的大小等。電路中，VD1就是發光二極管，R1是一種電阻器元件，S1是電源開關，+V是這個電路的直流工作電壓。

發光二極管是一種由磷化鎵（GaP）等半導體材料制成的，能直接將電能轉變成光能的發光顯示器件。當發光二極管內部有一定電流通過時，它就會發光，不同發光二極管能發出不同顏色的光，常見的有紅色、黃色發光二極管等。

用發光二極管作為電源指示燈具有工作電流小（省電）、指示醒目、體積小和指示顏色可變等優點。

1.2.1 快速了解：發光二極管

快速學習發光二極管的基礎知識點，包括認識發光二極管，掌握發光二極管電路圖形符號和發光二極管一些重要特性。

1　發光二極管的外形特征

圖1-23所示為一只紅色發光二極管實物示意圖，關于發光二極管外形特征主要說明以下幾點。

（1）單色發光二極管的外殼顏色表示了它的發光顏色。發光二極管的外殼是透明的。

（2）單色發光二極管只有兩根引腳，這兩根引腳有正負極之分。多色的發光二極管有3根引腳。

（3）發光二極管的外形很有特色，所以可以方便地被識別出。

（4）一只新的發光二極管，它的兩根引腳一長一短，長的是正極，短的是負極。發光二極管與電池一樣，其兩根引腳有正負之分，使用時切不可弄錯。

課堂測試1.7

選擇題：

（1）導通后發光的元器件是（　）。

A. 二極管

B. 開關

C. 電池

D. 發光二極管

（2）一只新的發光二極管，它的兩根引腳具有的特點為（　）。

A. 一樣長短

B. 長的是正極，短的是負極

C. 長短不能區別正負極

D. 長的是負極，短的是正極

答案與解析1.7

（1）D。二極管、開關和電池導通均不具有發光的功能。

（2）B。新的發光二極管兩根引腳一長一短就是用來區分它的正負引腳的。

2　發光二極管的電路圖形符號

重要提示

發光二極管是二極管大家庭中的一種，與普通二極管明顯不同之處是，它導通后能發光，而普通二極管導通后不能發光。在了解普通二極管后就能輕松掌握發光二極管的特性。

圖1-24所示為普通二極管的電路圖形符號識圖信息示意圖。電路圖形符號用VD表示二極管（過去用D表示）。二極管只有兩根引腳，電路圖形符號中表示出了這兩根引腳的正負極性，三角形底邊這端為正極，另一端為負極。

電路圖形符號形象地表示了二極管工作電流流動的方向，流過二極管的電流只能從其正極流向負極。電路圖形符號中三角形的指向是電流流動的方向，分析電路時就是根據這個三角形的方向來判斷電流流過二極管方向的。

圖1-25所示為發光二極管的電路圖形符號，它在普通二極管符號基礎上，用箭頭形象地表示了這種二極管在導通后能夠發光。導通后的電流方向也是圖形符號中三角形的方向，這一點與普通二極管一樣。發光二極管電路圖形符號有多種，圖1-25（a）所示為最新規定的發光二極管的電路圖形符號，圖1-25（b）所示為舊的發光二極管的電路圖形符號，還有國外的、有廠標的發光二極管的電路圖形符號等。

3　發光二極管的特性

學習和掌握發光二極管等電子元器件的特性，對電路分析是很有幫助的。各種元器件都有各自的特性，且有的元器件特性還比較多。

發光二極管也有它自己的特性，這里先介紹兩點。

（1）導通后能發光。發光二極管的各類指示電路都是利用它的這個特性，給發光二極管導通電流，讓它發光指示；給發光二極管導通不同類型的電流，會有不同形式的發光指示；電源指示電路中給發光二極管導通一個大小不變的直流電流，就能發出亮度不變的光。

（2）導通后存在管壓降。發光二極管導通后，在它的正負極之間存在一個直流電壓，這稱為發光二極管導通后的管壓降，這一管壓降基本不變。這一特性是設計發光二極管各類指示電路的一個重要參數，不同發光顏色的發光二極管其管壓降不同，即使相同顏色的發光二極管不同型號，管壓降也有所差別。設計電路時，發光二極管的管壓降參數可以通過查找相關的手冊來獲得。

課堂測試1.8

判斷題：

（1）流過發光二極管的電流只能從它的正極流向負極，流過它的電流達到一定程度時它就能發光。（　）

（2）從發光二極管電路圖形符號上不能看出它的電流流動方向。（　）

（3）普通二極管與發光二極管在電路圖形符號上是沒有區別的。（　）

（4）發光二極管導通后，它的正極與負極之間電壓為0V。（　）

答案與解析1.8

（1）√。

（2）×。能看出電流流動方向，電流流動方向就是電路圖形符號中三角形的方向。

（3）×。有區別，帶箭頭的是發光二極管，沒有箭頭時是普通二極管。

（4）×。有一個管壓降，不同發光顏色的發光二極管的管壓降是不同的。

1.2.2 輕松學習：電阻器

圖1-26所示為一種電阻器的實物示意圖和電路圖形符號。電子電路中，電阻器件的使用量最多。電阻器的基本功能是為電路提供一個電阻值，以便電路獲得一個所需要的電流值。

1　電阻器的電路圖形符號識圖信息解讀

圖1-27所示為電阻器的電路圖形符號標注細節示意圖。

2　電阻的單位

電阻的單位是歐姆，用Ω表示。除歐姆外，還有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），它們之間的換算關系如下：1kΩ=1000Ω；1MΩ=1000kΩ。

知識回顧：直流電流

水的定向流動稱為水流，電流也一樣，電荷有規律的定向流動稱為電流。電流只能在導體中流動，如電線、電路板上的銅箔電路、電子元器件的金屬引腳等。

電流有大小和方向之分，還有直流電流和交流電流之分。

電流大小和方向不隨時間變化而變化的電流稱為直流電流。在電路分析中，常用電流的波形來說明問題，直流電流可用坐標來表示。如圖1-28所示，橫軸表示時間（t軸），縱軸（I軸）表示了電流I的方向和大小。0表示時間、電流大小為零，從圖1-28中可以看出，當時間變化時，電流I1的大小和方向均不變，所以這是一個直流電流。

在分析直流電路工作原理的過程中，時常會用到兩個直流電流相對大小的概念。電流用I表示，單位為安培，簡稱安（A）。電流的單位除安外，還有千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA）。在電子電路中主要用A.mA和μA來表示，它們之間的換算關系如下：1kA=1000A；1A=1000mA；1mA=1000μA。

課堂測試1.9

選擇題：

（1）電路圖中的電阻器電路圖形符號不會表示出（　）。

A. 有幾根引腳

B. 電路圖中的編號信息

C. 阻值大小

D. 材料信息

（2）某電阻器阻值為22kΩ，它等于（　）。

A. 2200Ω

B. 0.22MΩ

C. 22000Ω

D. 2.2MΩ

答案與解析1.9

（1）D。電路圖中的電阻器電路圖形符號能夠表示它有兩根引腳，電路圖中的編號（如R1中的1就是編號信息）和阻值大小。

（2）C。Ω、kΩ和MΩ之間是1000倍的關系。

3　電壓、電流和電阻三者關系

電壓、電流和電阻三者之間關系可以用部分電路歐姆定律來說明。所謂部分電路就是指不含電源的電路。部分電路歐姆定律可以用圖1-29所示的電路為例來說明。在電路圖中，R為電阻，U是電阻兩端的電壓，I是流過電阻的電流。

電路分析中重點是信號電壓或電流，信號的電壓或電流大小往往是通過電阻的大小進行判斷的，所以要熟練運用電阻的相關基礎知識。電阻、電壓、電流三者之間的關系如下：

U=IR

式中，U為電壓，V；I為電流，A；R為電阻，Ω。

在理解電路工作原理過程中，使用最多的概念是電阻的大小。

（1）當已知電壓U時。已知電流I可以分析或計算出電阻R；已知電阻R大小時可以分析計算出電流I的大小。

當電壓大小不變時，電阻大電流小，電阻小電流大。同時，要求電流增大時可減小電阻，要求電流減小時可增大電阻，由此可知，調節電阻大小可以得到所需要的電流，這是電路設計中常用的手段。

（2）當已知電阻R時。已知電流I可以分析或計算出電阻兩端的電壓U；同樣，已知電阻兩端電壓U時，可以分析或計算出流過電阻的電流I。

當電阻大小不變時，電壓大電流大，電壓小電流小。同時，要求電流增大時可增大電壓，要求電流減小時可減小電壓，由此可知，調節電壓大小可以得到所需要的電流。

（3）當已知電流I時。已知電壓U可以分析或計算出電阻R；同樣，已知電阻R時，可以分析或計算出電阻兩端的電壓U。

當電流大小不變時，電壓大電阻大，電壓小電阻小。同時，要求電壓增大時可增大電阻，要求電壓減小時可減小電阻。例如，在發光二極管電源指示電路中，要求流過發光二極管的電流大小是不變的，這時直流工作電壓大小改變時要求有相應的限流電阻阻值大小的改變。

課堂測試1.10

判斷題：

（1）直流電流的大小和方向不隨時間變化而變化。（　）

（2）1A電流等于100mA電流。（　）

（3）電阻器的阻值確定，流過它的電流增大時，它兩端電壓減小。（　）

（4）電阻、電壓和電流三者之間沒有關系。（　）

答案與解析1.10

（1）√。

（2）×。1A等于1000mA。

（3）×。電阻器兩端的電壓增大，因為電阻兩端的電壓等于阻值與電流之積。

（4）×。電阻、電壓和電流三者之間有關系，它們之間的關系是U=IR。

1.2.3 深入掌握：電路設計思路

電路設計并非完全創新，更多的是一種現有電路資源的有機整合和單元電路的局部創新或變化，所以電路設計并非高不可攀，深不可及。

電路設計與電路識圖完全不同，電路設計是依據自己的電子技術知識水平，進行思維輸出的過程，識圖則是知識輸入的過程，兩種思維方式不同。

1　電路設計的基本思路

電路設計有兩種基本思路。

（1）自主創新思路。憑借自己雄厚的電路設計能力，緊扣電路功能的主題，自主創新設計所需的功能電路。

（2）借鑒和移植思路。借鑒同功能電路的成功經驗，運用移植和修改技術加以改良，以供我用，實現電路所需的功能。

發光二極管電源指示電路是一個應用十分廣泛的電路，又是典型的應用電路，所以設計這一電路時可以采用借鑒和移植的設計方法。圖1-30所示為發光二極管電源指示電路。電路設計的具體任務是確定電路中各個元器件的參數，主要是電阻R1的阻值。

2　設計要求及思路

發光二極管電源指示電路中，已知條件是直流電壓為+3V，采用發光二極管，要求省電。因為這一電路指示的是3V電池供電的電路，電池供電電路一個重要的指標就是靜態耗電小，所以需要采用省電電路。

電路設計中所要確定的元器件及主要參數如下。

（1）發光二極管指示電路功耗最小。相比傳統的小電珠指示燈電路，發光二極管指示電路節電明顯。

（2）電源指示采用紅光比較醒目。一般情況下，電源指示采用紅色發光二極管，紅色比較醒目。常見三種顏色的發光二極管的管壓降不相同，通過查找發光二極管的有關手冊，得知具體壓降參考值如下：

紅色發光二極管的管壓降為2.0～2.2V；黃色發光二極管的管壓降為1.8～2.0V；綠色發光二極管的管壓降為3.0～3.2V。

課堂測試1.11

判斷題：

（1）現代電子電器大量采用發光二極管作為各類指示器的原因是它電源消耗小、指示醒目等優點。（　）

（2）采用電池供電的電路要求電源消耗小。（　）

（3）不同發光顏色的發光二極管其管壓降相同。（　）

（4）紅色外殼的發光二極管不一定發出紅色的光。（　）

答案與解析1.11

（1）√。

（2）√。

（3）×。不同發光顏色的發光二極管的管壓降是不同的，黃色發光二極管的管壓降最小。

（4）×。單色發光二極管中，發光顏色與它的外殼顏色相同。

1.2.4 定性分析：發光二極管電源指示電路

定性分析可以降低定量分析難度。

電路工作原理分析是學習電子技術過程中一個重要的內容，通過大量實用電路分析的實踐，循序漸進地掌握電路分析的思路和具體方法，以提高電路分析的綜合能力。

1　定性分析在先

所謂定性分析是一種思維加工過程，對電子電路的工作原理進行分析，進而能去偽存真、去粗取精、由此及彼、由表及里，以認識電路的本質，揭示電路的內在規律。定性分析是定量分析的基本前提，沒有定性的定量是一種盲目的、毫無價值的定量。

在設計發光二極管電源指示電路時，首先通過定性分析掌握它的工作原理，然后才能為具體的電路設計（各個元器件參數確定）提供保證，了解這些參數對整個電路工作的影響。

2　定量分析在后

所謂定量分析就是對研究對象的數量特征、數量關系與數量變化的分析。對于發光二極管電源指示電路而言，就是關系到一些量的計算。在有了前面的定性分析后，定量分析可以減少許多干擾成分，使分析過程更簡單。

3　發光二極管電源指示電路分析

圖1-31所示為發光二極管電源指示電路，可以用于各類現代電子電器中作為電源或其他信號的指示電路。

電路中的VD1是發光二極管。當它發光時，表示電路中已有了直流工作電壓+V；當VD1不發光時，表示電路中沒有加上直流電壓+V，這樣通過VD1的亮與不亮來直觀表示電壓是否加到電路中，這就是電源指示的目的。S1是電源開關，R1是VD1的限流保護電阻。電路中的+V是直流工作電壓。

（1）開關S1斷開時分析。開關S1斷開時，由于+V不能加到VD1上，所以沒有電流流過VD1，VD1不能發光，這表明電路中沒有直流電壓+V，此時指示電源為斷開狀態。

（2）開關S1接通時分析。直流電壓+V經S1和R1加到VD1的正極上，VD1的負極直接接地，這樣給VD1加正向偏置電壓，有電流流過VD1，所以VD1發光指示，如圖1-32所示，表明電路中有正常的直流電壓+V。

課堂測試1.12

判斷題：

（1）發光二極管電源指示電路中，只有當電源開關接通時指示燈才發光。（　）

（2）流過發光二極管電源指示電路的電流不是直流電流。（　）

（3）電源開關接通后，發光二極管電源指示燈不亮與直流電源無關。（　）

（4）發光二極管電源指示電路中，電源開關控制指示燈是否發光指示。（　）

答案與解析1.12

（1）√。

（2）×。流過發光二極管電源指示電路的電流是直流電流，因為它是由直流電源直接供電的。

（3）×。電源開關接通后，發光二極管電源指示燈不亮與直流電源是有關的，當直流電源沒有接好，或直流電源的電壓太低時指示燈均不亮。

（4）√。

知識擴展：串聯電路中電流處處相等

這里以電阻串聯電路為例，講解串聯電路中的一個重要特性，即串聯電路中電流處處相等。圖1-33所示為兩只電阻串聯電路，電阻R1和R2頭尾相連，這樣的電路稱為串聯電路。

圖1-34所示為串聯電路中電流示意圖，流過電阻R1的電流是I1，流過電阻R2的電流是I2，串聯電路中總的電流是I。根據節點電流定律可知，流過各個串聯電阻的電流相等，并且等于串聯電路中的總電流，即I=I1=I2。

如果電路中有三只或更多的電阻器相串聯，流過各個電阻器的電流都是相等的，并且等于串聯電路中的總電流。

無論是電阻串聯電路還是其他元器件串聯電路，都具有串聯電路中電流處處相等這一特性。

4　電源指示電路中限流保護電阻分析

如圖1-35所示，R1是限流保護電阻，它的作用是限定流過VD1電流的大小，不讓電流太大而損壞發光二極管，所以R1是電路中十分重要的元件。

電路中R1是VD1的限流保護電阻，以防止由于直流工作電壓+V太大而損壞VD1。在實際電路中，電壓+V往往是確定的，它如果直接加到發光二極管VD1兩端很可能就使流過VD1的電流太大而燒壞VD1，為此要增加一只電阻R1來限制流過VD1的電流，保證在電壓+V一定的情況下流過VD1的電流大小合適。

重要提示

直流電壓+V變大或變小時，流過VD1的電流大小也會發生相應的變化。

當+V變大時，流過VD1的電流增大，所以VD1發出的光更強；當+V變小時，流過VD1的電流減小，所以VD1發出的光比較弱。

這一電源指示電路不僅能夠指示是否有電源電壓，還能指示電源電壓的大小。對于采用電池供電的機器這一指示功能更實用，當VD1發光強度不足時說明電池的電壓已經不足。

課堂測試1.13

選擇題：

（1）串聯電路中（　）。

A. 電流處處不相等

B. 電壓處處相等

C. 電流處處相等

D. 電流和電壓處處相等

（2）LED電源指示電路中限流保護電阻器（　）。

A. 阻值小，LED發光暗

B. 阻值大，LED發光亮

C. 阻值大小對LED發光無影響

D. 阻值大，LED發光暗

答案與解析1.13

（1）C。串聯電路沒有支路，所以電流處處相等。串聯電路中每點的電壓與電阻大小相關，電壓不會處處相等。

（2）D。阻值大小對LED發光亮度有影響，在工作電壓一定時，電阻小流過的電流大，反之則小。

1.2.5 電路設計：計算和確定發光二極管電源指示電路中的元器件參數

通過講解一個實用的電路設計，了解電路設計的思路和全過程，以建立電子電路設計的初步印象，為日后的學習和工作打下基礎。

1　電源指示電路中限流保護電阻的設計

設計電源指示電路的關鍵是確定限流保護電阻的阻值大小。圖1-36所示為設計的電源指示電路中各個元器件電壓與電流關系示意圖，本書中電源指示電路的電壓為3V。

（1）確定限流電阻的電壓降。從電路中可以看出，選用紅色發光二極管，查有關手冊可知紅色發光二極管導通后的管壓降為2.0～2.2V，這里取2V，而供電電壓是3V，這樣要求電阻R1的壓降是3V-2V=1V。

（2）確定紅色發光二極管工作電流。發光二極管作為指示電路時的工作電流是幾毫安，電流小發光亮度低，反之亮度高。由于這里采用電池，考慮到盡可能節省電源，初步考慮采用1mA工作電流。初步設計后通過裝配電路來驗證指示效果，如果1mA電流亮度不夠，可以增大工作電流。

（3）計算限流電阻器阻值。根據公式R=U/I計算阻值，已知U=1V，I=1mA，R=1kΩ。所以，電路中的限流保護電阻R1取1kΩ。注意，當U單位用V，I用單位mA時，R的單位是kΩ。

（4）標稱阻值系列中選取合適電阻。通過理論計算出來的電阻值并不一定能在成品電阻器中找到這一阻值的電阻器，還要通過標稱阻值系列去選取，表1-1所示為電阻器標稱阻值E6、E12、E24系列。

從表中可以看出，1kΩ電阻器正好在三個系列中均有，只是E6系列的誤差比較大（±20%），成本低，考慮到這一電源指示電路并非精密指示電路，所以從成本角度出發，首選E6系列中的1kΩ電阻器。

知識擴展：電阻的標稱阻值

電阻的標稱阻值分為E6、E12、E24、E48、E96、E192這6個系列，分別適用于允許偏差為±20%、±10%、±5%、±2%、±1%和±0.5%的電阻器。其中，E24系列為常用系列，E48、E96、E192系列為高精密電阻系列。

（5）確定電阻器功率參數。在限流電阻器阻值確定后，要選擇它的功率。由于這是一個小電流電路，限流電阻所承受的功率不大，所以從節約成本角度考慮采用1/8W通用電阻器，同時選用碳膜電阻器，因為它的價格低，也能滿足電路的使用要求。

2　確定所有元器件參數

（1）紅色發光二極管1只。選用圓柱形、直徑為2mm的發光二極管。因為選用圓柱形發光二極管是為了安裝方便，在機殼上打個孔便能安裝，如果選用方形發光二極管，開裝配孔比較煩瑣。

（2）2節1.5V電池和電池盒1只。它們作為電子電路的電源。

（3）限流保護電阻1只。選取碳膜電阻器，1/8W，1kΩ。

（4）萬用板1塊。萬用板作為裝配各電子元器件載體，是一種通用型的電路板。

（5）電源開關1只。作為整機電路的電源開關，用于控制發光二極管的點亮與熄滅。

課堂測試1.14

判斷題：

（1）設計電源指示電路中的限流電阻器阻值時用公式R=U/I，U的單位為V，I的單位為A，R的單位為Ω。（　）

（2）設計電源指示電路中的限流電阻器阻值，就是為了確定流過發光二極管的電流。（　）

（3）裝配發光二極管電源指示電路需要電池、發光二極管、開關和電路板。（　）

（4）發光二極管在導通后，它的管壓降隨著流過它的電流大小而明顯變化。（　）

答案與解析1.14

（1）√。

（2）√。

（3）×。裝配發光二極管電源指示電路需要電池、發光二極管、開關、電路板和限流保護電阻器。

（4）×。發光二極管導通后的管壓降基本不變。