這幾天花了些時間研讀Make:Electronics(一本介紹電子實驗的專書)。裡面提到許多重要的電子學知識,並以精美的圖片、貼切的比喻幫讀者釐清艱深的電子學問題。以下內容是筆者在閱讀期間,為釐清思緒所製作的筆記。
為說明振盪電路與RC電路,在此使用本書第91頁的麵包板配置圖:
透過上方的圖片,可觀察到麵包板左右兩側的零件具有對稱的結構,分別由2個電阻(4.7K與470K)、1個電容(3.3微法拉)及1個電晶體(2N222)所組成。電阻的功能主要是限制電流的大小。電容的功能類似電池,具有儲存電荷的能力。電晶體的功能,則用來控制電流的開關。
電晶體三個接腳分別是集極(Collector)、基極(Base)、射極(Emitter)
集極為在此作為電晶體的輸入端,用來接收正電壓(V+)
基極為控制端,當基極的正電壓高於集極時,電晶體將允許電流從射極輸出
射極顧名思義為電晶體的輸出端,在此連接負極,讓電流形成一個迴路
當零件及電路配置好以後,接上電源,會發現LED燈開始出現閃爍的情況。
這使我開始思考,為什麼如此配置電路,會讓LED燈出現忽明忽滅的現象呢?
在繼續研讀下去以後,我發現這樣的電路配置在電子學裡有一個專有名詞,叫做「振盪器電路」。要理解這個名詞,必須分成兩部份來作探討
(1)振盪現象是如何發生的?
在完美的世界裡,麵包板兩側的電阻及電晶體是完全相同的,在此情況下兩側電路會同步啟動,LED在通電時應會呈現常開的狀態。但在現實世界裡,電阻及電容器總會有微小的製造差異。這使得電晶體在導電時會出現時間差,以至於電路失去平衡,並出現振盪現象。
在振盪現象發生時,電流會分別在正極電壓與負極電壓間停留一段時間,若以示波器呈現就如同下圖般的矩形波。
(2)如何決定振盪器電路的輸出位置?
在上方的電路示意圖中,麵包板左右兩側的迴路分別配搭了一個4.7K及470K的電阻,並讓電容從電阻較小的一側快速充電。這使得我們能從這一側取得適當寬度的電壓,並以100K的電阻將電流送至第三個電晶體。而此電晶體將透過基極汲取非常小的電流並將其放大,並讓我們透過放大現象來作特定的事情。
總結上述的實驗成果,前兩個電晶體為我們製作了開啟與關閉的脈衝,第三個電晶體則用來放大脈衝訊號。
接下來要繼續探討RC電路(Resistor-Capacitor Circuit)。最簡單的RC電路是由一個電阻及一個電容器所組成。電阻的功能如同水龍頭的開關能調節電流的大小,電流就好像一股壓力,而電容器就好像一顆氣球。當我們將水龍頭打開後,水會沿著管道流至氣球內部,直到氣球內的壓力與水管內的壓力相等才會停止。
因內部壓力的影響,電流流經電容的速度會出現遞減的現象。在時間常數1(秒)時,電容會在瞬間灌入大量的電流(因電容內到處都是可以容納電子的電洞),在這1秒電容的壓力會充至電源的63%。在時間常數2(秒)時,會再次灌入63%的電流,但因電容在時間常數1已充至63%,因此充電速度會開始下降。
其計算公式如下:
V1=0+(0.63 x 9)=5.67伏特
V2=5.67+(0.63 x 3.33)=7.77伏特
V3=7.77+(0.63 x 1.23)=8.54伏特
V4=8.54+(0.63 x 0.46)=8.83伏特
V5=8.83+(0.63 x 0.17)=8.94伏特
在第三顆電晶體之後加入2個470歐姆的電阻及220微法拉的電容,就完成了RC網路的配置。
接上電源後會發現LED燈不再是以忽明忽滅的方式閃爍,而是漸進式的明亮、熄滅。


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