一、收音機交直流供電自動切換電路

設計背景

這是為了解決使用鐘控數字收音機過程中出現的問題而產生的設計。這種數字收音機采用鎖相環技術，用數字調諧選擇電臺，還具有定時開機功能。電源電壓為6V，有外接直流電源插座。它的缺點是耗電較高，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換器供電。使用時利用它的定時開機功能，將時間設定在每天早晨定時開機，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？于是設計了這個電路，實現了同時用交流和直流雙重供電，經過長期運行證明十分可靠；簡單的電路解決了使用中的大問題。從解決實際問題出發是電路設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。二極管的作用是當沒有外接電源或者在停電時，電池電源可通過它自動恢復向收音機供電。

圖 —

制作要點

可直接將二極管焊接在收音機的印刷電路板上。

學習、實驗與思考

1．交直流轉換器輸出電壓測定

一般交直流轉換器都有額定的直流輸出電壓。多數沒有穩壓電路的轉換器，其額定的輸出電壓與實際電壓有比較明顯的差別。例如，額定輸出6V的轉換器，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。

影響交直流轉換器輸出電壓的因素有：負載、市電電壓、溫度等。可通過實驗了解它的性質。

2．思考

分析二極管D在電路中的作用。

如何根據不同的電器確定二極管D的型號。

二、電話線路錄音插座

設計背景

在電視節目中經常看到用話筒進行電話錄音的鏡頭。這種錄音方式雖然簡便，但是質量不高，易受外界聲音干擾；如果是針對某固定電話進行錄音，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，不設任何開關，做到在待機時、振鈴時和通話時都不得對電話線路產生干擾。

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；為了保證錄音信號與錄音機的匹配，還采用了電阻降壓。

圖33-021

制作要點

盡量微型化。可獨立制作一錄音插座盒，也可將其裝入電話機中。

學習、實驗與思考

1．分解目標

為了實現既定的目標，可將問題分解成若干個，分別加以解決。在設計電話導線連接錄音方式的任務中，要解決以下問題：

①電話線路與錄音機隔離問題。

②電話線路的音頻電壓與錄音機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．理論與實踐相結合

為了解決以上問題，應采用理論與實踐相結合的方法。如果沒有理論指導，單純靠實驗也許能夠解決，但是必然會浪費時間，浪費原材料。如果能夠在理論的指導下進行實驗，就可收到較好的效果。

為了充分實現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？耐壓應該是多少？顯然，為了徹底解決電路的隔離問題，應該用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，采用耐壓160V的。至于電容器的大小，應從多方面考慮。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的電容串聯使用。

3．在實驗中修改設計

電路設計不可能一蹴而就，要經過多次實驗優化設計。在初步的設計完成之后，可用錄音機連接電話線路，進行通話實時錄音實驗。通過實驗，可以發現一個問題，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，首先通過實驗確定通過電阻降壓，然后再用電位器進行人工調整。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，實際也是不可缺少的。它的作用是防止電位器將音量調整到最小時，保證有電話信號，以避免丟失錄音信號而設計的。

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、電話線感應增音器

設計背景

與上面的用導線連接的方式不同，這種電話線感應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，從而在電線周圍產生交變磁場，線路感應器將這一交變磁場轉變為電壓信號，輸入到放大器進行放大，推動喇叭放出通話的聲音。

圖33-031

制作要點

電路的關鍵在于線路感應器的設計和制作。線路感應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，除了必須將感應器靠近電話線路以外，還必須解決環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聲的強度，環境中雜散磁場也被放大，同樣在喇叭中產生噪音，以致于根本無法聽到電話中的聲音。為了解決這一問題，線路感應器為兩組相同的鐵芯線圈并排放置，兩組線圈串聯連接，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出電壓，輸出到放大器進行放大；而環境中的雜散磁場對兩組線圈都感應出電壓，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。為了保持穩定，可用一夾子將電話線固定在鐵芯上。

圖33-032

學習、實驗與思考

1．克服缺點完成發明

在制作一種電話感應增音器的過程中發現介紹的電路實際上根本無法正常工作。這種采用鐵芯線圈拾取電話機周圍磁場的感應增音器，連同周圍各種電器發出的磁場一同放大，形成很大的噪聲。此外，如果電話機沒有線圈，也導致增音器無法工作。為了解決適應所有型號電話機的問題，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計關鍵。根據目標信號與干擾信號的位置不同，采用了兩組感應器來解決這一問題。將它們靠近，則對于干擾信號，兩組感應器得到的信號可近似認為是相同的，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器上，這樣兩組感應器對于電話信號來說是非對稱的，經過反相處理不會被消除，可以輸送到放大器進行放大。

2．并聯的線路感應器

除了可以按照電路中將兩組線圈串聯之外，也可以將它們并聯，同樣可以達到消除環境中的干擾信號的目的；并聯時兩組線圈在各自的鐵芯中產生的磁場方向應該相反。可以這樣認為，串聯是電流抵消法，并聯是電壓抵消法。經過實驗，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；可用實驗的方式確定，目標是使大環境的磁場干擾產生的電信號互相抵消。至于用理論方法進行線圈磁場方向的判定，中學物理教科書中已有介紹，這里就省略了。

3．用線路感應器制作電話接觸錄音頭

實際上由于免提電話的發明，電話增音器已無使用價值。但這種在電話線上感應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

設計背景

在臥室中使用電話會發現一個致命的缺點，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難。本作品巧妙地解決了這一問題，在白天它可以發出正常的振鈴聲音，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、光控發聲器組成。每當來電話時，振鈴電壓驅動整流電路，音頻振蕩器工作，由光控發聲器根據環境光線的強弱發出來電話振鈴聲音；在白天，光敏電阻阻值很小，發聲器發出最大音量；到了晚間，光敏電阻阻值變大，音量減弱；在夜晚，環境完全黑暗，光控發聲器音量最弱。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，所以無需任何開關和人為操作，實現了夜間自動減弱電話振鈴的目的。

圖33-041

制作要點

采用印刷電路板制作，體積小巧緊湊，可以將整機裝入一種電話線轉換盒中，見。通過調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。光敏電阻安裝在機盒內，在頂部的位置上應開一小孔，以保證光敏電阻獲得外界光線的照射。

學習、實驗與思考

1．電話聲音信號阻隔電路

一般電話機都帶有聯動開關，當摘下聽筒通話時，內部的開關自動將振鈴電路關閉，以免影響正常通話。為了簡化設計，方便用戶使用，電路不設任何開關。那么它是如何解決通話時，并聯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通電壓來實現這一目標。我們知道，一個硅二極管的正向導通電壓為0.7V，一個發光二極管的正向導通電壓為1.8V左右；分析電路的振鈴電壓整流電路，電路中串聯接入了一個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，正向導通電壓為3.2 V。電話通話時，直流電壓在6～12V之間，據此估算，其中的聲音電壓分量應在3V以下，為保險起見，電源電路中又串聯了一支普通二極管。電路中的LED還兼有振鈴時燈光提醒的功能。

2．最小振鈴音量的調整

光控發聲器是由一個串聯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境中的阻值高達幾兆歐以上，這會導致在夜間振鈴音量消失，達不到提醒目的。所以在光敏電阻上并聯了一個數百歐姆的電阻。調整這個電阻的大小就可以調整夜間振鈴的音量。

3．振鈴電壓的整流電路分析

整流電路中，串聯在電話線路中除了必須使用的隔直流電容器之外，還串聯了2個電阻R6和R7。在最初的設計中，沒有使用這2個電阻。通過實驗發現，如果在整流電路中不使用電阻，就會產生一個問題，那就是振鈴的音量較小。在調試中發現，使用一組6V電池供電，振鈴可發出悅耳的音量；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，今后在設計用電容隔直流或者降壓的整流電路中，都應該串聯一個電阻，以保證電源電壓的穩定。

五、來電話燈光提醒器

設計背景

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。電路由整流驅動電路、光控電阻器、晶閘管、白熾電燈組成。每當來電話時，振鈴電壓通過整流電路驅動發光二極管閃亮，光控電阻器受控阻值變小，驅動晶閘管導通，電燈被點亮。由于整流電路中沒有濾波電路，驅動LED的電壓為頻率約為20Hz的脈動直流，所以來電話時，電燈發出同步的閃亮。電路直接接在電話線路上，無需開關。

圖33-051

制作要點

本電路采用了2只雙向觸發二極管；串聯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開關。晶閘管可用耐壓600V，2A的雙向觸發晶閘管。電燈可在15W～100W范圍選擇。

學習、實驗與思考

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），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，發光二極管與光敏電阻的距離應大于10毫米，可確保耐壓達到1000V以上。這樣，電路在使用中不會對電話的使用產生任何影響。

2．觸發二極管在整流電路中的作用

電路直接與電話線并聯，當有電話振鈴時，會驅動電燈發光；當打電話時，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。雙向觸發二極管串聯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，遠遠低于觸發二極管的最低觸發電壓，所以電路對通話時的電話線路相當于開路。

六、簡易電焊自動防護面罩

設計背景

電焊防護面罩主要有面部防護和眼睛防護兩部分。其中的眼睛防護最為重要。現有的面罩上有一塊目鏡，通常是一塊烏黑的玻璃，將電焊時產生的強烈電弧光遮擋，起到保護眼睛的作用。但是它的致命缺點是由于目鏡黑，在沒有起電弧時，通過它無法觀察到工件的情況，從而影響了工作質量和工作效率。使用電焊自動防護面罩，電焊時在準備工作時，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，即在沒有驅動電壓時，光閥片保持黑暗；當接入驅動電壓時，光閥片變透明。這樣，在接上電焊線時，電焊機的60～80V的空載電壓通過分壓器，保持在30V以上，雙向觸發二極管被觸發，驅動液晶光閥片變透明，人可通過目鏡觀察電焊現場的狀況。當電焊起弧時，電焊機的電壓降至30V，這個電壓通過分壓器降至20V以下，不能驅動觸發二極管，液晶光閥片失去驅動電壓，重新變暗，目鏡隨之變黑，起到保護眼睛的作用。

圖33-061

制作要點

制作完成后，要用模擬的電壓進行測試。對于觸發電壓在30V左右的雙向觸發二極管，電路圖中的數據是可靠的。應保證在外加60V電壓時，液晶片變亮，當外加電壓為30V時，液晶片變黑。如果不能達到要求，可調整分壓器的比例。

學習、實驗與思考

1．液晶

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

液晶片在外加電場作用下，可改變透光性質。這是因為液晶可將光線變成偏振光。液晶的這一性質可根據外加電壓而改變偏振的方向，使光線的相位產生90度的變化。如果一種原來是透明的液晶片，當外加一定的電壓后，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，然后旋轉其中的一片，會發現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，必須用交流電驅動液晶片，否則時間長了會導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，轉變速率約100毫秒；隨著溫度的降低，轉變速率迅速變慢。

液晶特性表

2．液晶光閥片透光性能實驗

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？

設計一個實驗解決以上問題。

對于電焊防護面罩的目鏡而言，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，會對使用者發生傷害嗎？電路本身和線路最容易出現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下為黑色的液晶片，只有在有驅動電壓時，液晶片才透光；電路一旦出現故障，都會導致液晶片失去驅動電壓而變黑，從而達到自動防護的目的。可見，本電路的可靠性非常高。

當然，電路也不是無懈可擊，如果當雙向觸發二極管被擊穿，則會出現起弧后目鏡不能自動變黑的事故。