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2.3 蜗牛勇士的冒险

图  蜗牛勇士的冒险案例制作效果

2.3.1  LED发光二极管

LED是发光二极管的英文缩写(Light Emitting Diode),由镓(Ga)与砷(As)、磷(P)、氮(N)、铟(In)的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,铟镓氮二极管发蓝光。

图  发光二极管

它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

图  LED灯内部结构

LED是特殊的二极管,和普通二极管一样由半导体芯片组成。半导体芯片是LED的核心,它附着在基底上,直接连接负极,正极则由导线连接阳极接柱,由反射碗增强芯片的照明效果,整个芯片被环氧树脂封装起来。

发光二极管由半导体芯片组成,半导体芯片分为两个部分。一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。当这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“PN结”。这些半导体材料会预先透过注入或掺杂灯工艺产生P、N架构,当电流通过导线作用于芯片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量。

2.3.2  串联电路

现在让我们回忆一下,要得到一个有用的电路我们需要做些什么?首先,我们需要一个电源,它提供产生电流的电压。接着,我们需要一些导线,最后电路还必须有它的目的,手电筒的电路中电路的目的就是让灯泡发光。我们通常把电路中作为电路用途的部分叫做负载。所以手电筒电路中灯泡就是负载,一个有用的电路至少包含这三部分。

在此之前我们为大家介绍的所有电路中都有一个共同的重要特征。任何电子从电池的负极流出,必须流经电路中的每个部分才能到达电池的正极。电路中电子没有其他可选择的流动方向。这有点像进入了一条高速公路后却发现没有离开高速公路的出口,你只能一直行驶,直到旅途的终点。

我们给这种没有给电子提供其他路径流动的电路一个专用的名称——串联电路。小时候你一定吃过冰糖葫芦,串联电路里面的用电器就像是冰糖葫芦上的山楂果被导线中一个一个地串起。

图  串联电路

在串联电路中,所有的电流必须经过相同的路径,经过电路中的每一个部分。串联电路中各部分电流相等。在串联电路中,可以有一个或多个负载,如果在电路中连接了多个负载,相同的电流经过每一个负载,我们就得到了一个串联电路。圣诞树上的灯串就是多个负载串联的常见串联电路,灯串通常是将小灯泡串连接。

图  串联的圣诞彩灯

如果你对这些等比较熟悉的话,你也许就知道这种串联电路有一个缺点,如果这种电路有一处断开,整个电路就会变成断路,再也没有电子可以流过。所以,只要一个灯泡烧坏,所有的灯都会熄灭。当然在这种情况下,找到那个烧坏的灯泡会是个小问题。通常,当你设法找到烧坏的灯泡后并立即更换,所有的灯泡又会重新发光!

2.3.3  并联电路

许多情况下电路包含了支路让电流分流流过,电子可以通过两条路从电源的负极流出,最后回到电源的正极,我们把这种电路称为并联电路。

并联电路就是有多个通路,因此所有的电子不必沿着相同的道路运动,每个可通过电流的道路就是并联电路的支路。在并联电路当中流过每个支路的电流可能不同,但各支路电流相加就是从电源流出的总电流。

用水流过水管来比喻电路可以帮助我们理解电路,橡胶软水管就像是串联电路,橡胶软水管所连接的水龙头就好比是电源,提供使水流过水管的压力,水管的另一端就好比是电路中的负载,利用负载电路完成它的有用的工作。无论你用水管去叫草坪,洗汽车或者给游泳池加水,水都是从水管的一端流入,从另一端流出。水没有其他的道路从水管中流出,至少你的水管在没有漏水的情况下是这样的。

与此类似,我们可以用你用的水管来比喻并联电路。有的水流入你家的热水器,有的水流入厨房洗碗池,有的流入了浴缸,还有的流入屋外的水龙头。有很多通道让水流动,也许许多水龙头同时工作,也许只有一个水龙头在工作,这与并联电路很相似。

图  并联电路图

假设我们把很多灯泡并联链接,注意,其中一个灯泡烧坏了,但其他的灯泡仍然发光。这是并联电路的一个重要特性。并联电路中,一个支路断路并不影响其他支路工作。在一条支路上连接一个开关可以控制这条支路的通断状态,一条支路断路,不影响其他支路上的电流。

2.3.4  作品效果

图  展开后的电路卡片

图  完成后的作品

2.3.5  电路原理

本案例是一个并联电路,三盏LED灯以并联的方式连接在一起,通过开关可以控制电流经过哪一盏灯。

图  案例电路

2.3.6  制作过程

图  展开卡片

图  使用刻刀沿着虚线挖孔,使用剪刀裁剪边缘虚线

图  按电路走线粘贴导电胶带

图  粘贴电子元件

图  点亮红灯

图  点亮黄灯

图  点亮绿灯