电子学：第008课——实验 6：非常简单的开关

实验 6：非常简单的开关

本实验将帮助你熟悉拨动开关的功能。你可能觉得自己已经知道如何使用开关了，但是如果把两个双掷开关合并在一个电路中使用，这就更有意思了。
需要的物品

• 螺丝刀、剪线钳、剥线钳
• 连接线：22 线规，不长于 12 英寸
• 9 V 电池 1 块
• 通用 LED 1 个
• 拨动开关：单极双掷或双极双掷开关 2 个
• 470 Ω 电阻器 1 个
• 两端有弹簧夹的测试引线 2 条

按照图 2-26 组装部件。为了把它们固定在开关的螺旋式接线柱上，用钳子弯曲每根导线的末端，把它弯成一个 J 形。然后，从左侧把导线绕在接线柱上，这样当接线柱顺时针拧紧时，就会把导线缠紧。

LED 的长引脚也要连接一个螺旋式接线柱，不要错误地连接 LED 的短引脚。记住，长引脚上的电压总是应该高于短引脚上的电压。

如果开关的接线柱不是螺旋式的，你就不要使用黑色导线，而要用几根带弹簧夹的测试引线来连接，并多加一根测试引线，把 LED 与左侧开关的中央接线柱连接。

连入电池后，开始实验，轻轻拨动开关。你发现了什么？

如果 LED 是亮的，拨动任何一个开关都会使它熄灭。如果 LED 是灭的，拨动任何一个开关都会点亮它。我首先必须告诉你一些基本原理和背景知识。

基本原理：关于开关的一切

拨动开关上的手柄是用手指拨动的。在图 2-26 所示的开关中，拨动手柄会使中央接线柱与两侧接线柱中的一个相连，如图 2-27 所示。

中央接线柱叫作开关的极。你可以拨动开关形成两种可能的连接，因此这种开关叫作双掷开关（Double Toggle，DT，也 写 作 2T）。 单 极 双 掷 开 关（Single Pole Double Throw，SPDT）有时也写作 1P2T。

有的开关只有两个接线柱，而不是三个。两个接线柱是开 / 关，向一个方向拨动就会形成连接，但是向另一个方向拨动不会形成连接。你房间里的大多数照明开关都是这样的。它们叫作单掷开关。单极单掷开关（Single Pole Sinle hrow，SPST）有时也写作 1P1T。

有些开关的两极是完全分离的，因此在拨动开关时可以同时形成两个单独的连接。它们叫作双极开关（Double Pole，DP，有时也写作 2P）。请参考图 2-28、图 2-29 和图 2-30 中的老式“闸刀”开关，它们用来在学校向孩子们讲授电子学知识。图中的开关不会用于实际目的，但是它们非常清晰地显示了 SPST、SPDT 和 DPST 连接之间的区别。

唯有在恐怖电影中，你才可能看到闸刀开关用于严肃目的。图 2-31 中，一个疯狂的科学家正在用一个单极双掷闸刀开关给自己的实验仪器充电，开关安装在地下实验室的墙上，还挺方便的。

为了使实验更有趣，你可以购买有三四个极的开关。（一些旋转开关的极甚至更多，但是我们用不到。）而且，一些双掷拨动开关有一个额外的“中位断开”位置。

为了归纳以上内容，我做了一张表格，列出了一些可能的开关类型以及描述它们的简称。按钮开关也使用相同的简称，如图 2-32 所示。如果你正在阅读一张部件目录，就可以参考这张表格来提醒自己这些缩略语的意思。

有些开关装载有弹簧，当你释放加在开关上的压力时，开关会弹回默认位置。见到用圆括号标出的 ON 或 OFF，你就知道需要维持开关上的压力才能使它保持在原位。
以下是几个例子。

OFF-(ON)：“ON”状态在括号中，是瞬时状态。因此，这是一个单极开关，只有在拨动时才会形成连接，松开手就会回到原位，断开连接。它也叫作“常开型”瞬时开关，简写为“NO”。大多数按钮开关也采取这种工作方式。

• ON-(OFF)：与瞬时开关相反。它通常是 ON 状态，但拨动它时，就断开了连接。因此，OFF
  （关）状态是瞬时的。这种开关叫作“常闭型”瞬时开关，简写为“NC”。

(ON)-OFF-(ON)：这种开关中位断开。向任何一个方向拨动它，都会形成瞬时连接，松手后又回到中间位置。

开关也可能有其他形式，例如 ON-OFF-(ON) 或 ON-(ON)。只要记住括号表明的是瞬时状态，你就能明白这些开关的工作方式。

电火花

在电流通和断的瞬间，容易产生电火花。电火花对开关触点有害，它会侵蚀触点，使开关无法再形成可靠的连接。因此，你必须使用与工作电压和电流相适合的开关。

我们实验的电路均为低电流、低电压的类型，因此几乎任何开关都可以使用；但是如果要给发动机配置开关，在电路通断的瞬间，流过开关的电流很容易达到发动机正常工作电流的两倍。例如，通断工作电流 2 A 的发动机，应该使用额定电流 4 A 的开关。

检测连通性

你可以使用万用表来检测开关。你把开关向某个方向拨动时，可以检测哪些触点是相互连接的。如果你使用的是按钮开关，而且想不起来它是常开型开关（按压以形成连接）还是常闭型开关（按压以断开连接），这一操作也很有用处。
在检测开关时，把万用表设置为测量“连通性”档。万用表在检测到连接后会嘟嘟响（或发出视觉提示），如果没有
检测到连接，则没有提示。请参考图 2-33、图 2-34 和图 2-35中万用表设置为测量连续性的示例。

背景知识：早期的开关系统

开关是电子世界的一种最基本元件，它们的概念非常简单，以至于我们很容易忘记它们也经历过逐步的发展过程。原始的闸刀开关对于电学先驱已经足够，他们只需要控制实验室中一些装置的通断；而随着电话系统的普及，电路需要一种更复杂的方法来控制。典型情况下，“交换机”接线员需要连接 10000 条线路中的每一条。这要如何做到呢？

1878 年， 查 尔 斯 • E. 斯 克 里 布 纳（Charles E. Scribner，如图 2-36 所示）研制出了“折刀开关”，如此命名是因为接线员手持的部分看起来像折刀手柄。一个插头从开关中伸出，当插头插入插座时，就在插座内部形成了连接。插座实际上包含开关触点。吉他和放大器音频连接器的工作原理也是相同的，当我们说到“插座”时，这一术语就回溯到了斯克里布纳的发明。开关触点仍然安装在插座内。

如今，电话交换机当然已经和接线员一样少见。它们先是被继电器，也就是电控开关所取代，我将在稍后讲解。然后，继电器又被晶体管所取代，晶体管使得电路的运行摆脱了活动部件。

2-36 查 尔 斯 • E. 斯 克 里 布 纳 发 明 了“ 折 刀 开关”，以满足 19 世纪末电话系统的开关需求。它与今天的耳机插座的工作原理依然相同

电路图介绍

在图 2-37 中，我用简化的方式（电路图）重新绘制了图 2-26 中的电路。从现在起，我将利用电路图说明电路，因为电路图会使接线更易理解。你只需知道几个符号就能解释电路图。

图 2-26 和图 2-37 展示了相同的元件和连接方式。在电路图中，呈“之”字形的符号是电阻器，带有两个斜箭头的符号是 LED，而电池用两条长度不等的平行线表示。

LED 符号中的大三角形表明了传统电流的流动方向，即假想的电流从正极流向负极。两个斜箭头表明该器件是发光二极管（后面我会讲到其他种类的二极管）。在电池符号中，较长的一条线表示电池正极。

追踪电流通过电路的路径，想象不同的开关位置。你现在应该能明白，为什么任何一个开关都可以反转LED 的状态，从开变成关，或从关变成开。

图 2-38 展示了经过简化后的同一幅电路图。线路是笔直的，电源表示为正极，在图的左上角，而负极在图的右下角。在电路图中，你会看见传统电流的流动方向从上到下，而某些类型的信号（例如放大器的音频输入）从左到右移动。电路的自顶向下结构使得它更容易理解。

需要注意的重要一点是：虽然两幅电路图看起来不同，但它们展示的是完全相同的电路。真正重要的是元件的类型及它们的连接方式，而元件的准确位置则与电路图无关。

电路图不会告诉你把元件放置在哪里。它只告诉你如何将元件连接在一起

顺便说一下，你家里可能就有图 2-38 中电路的例子，如果有两个电灯开关安装在一架楼梯的顶端和底端，而且任一开关都可以控制灯的亮灭，那么这样的电路肯定和例子中的原理相同。图 2-39 展示了这个例子，其中交流电源的火线和零线从电路图的左下角接入。火线上安装有开关，而零线布设在火线一旁，与灯泡相连接（中间有一条曲线的白色圆圈代表老式的白炽灯泡）。

电路图的唯一问题是：有的符号没有标准化。你可能会见到好几个符号都表示同一件事物。我将在后面的内容中逐步介绍它们。

关于基本电路符号，中国的绘制标准同美国、欧洲有所不同。详见国家标准 GB/T 4728。

基础知识：基本电路图符号

1. 开关：图 2-40 展示了单极单掷开关这种最基本元件的五种表示符号。每个符号中，开关的极都恰巧在右侧，而触点在左侧——虽然这对于 SPST 开关并没有什么显著差异。本书中，我选择用白色方框圈住每个开关，强调虽然开关有两个部分，但它们共同组成一个元件。

图 2-41 展示了略为复杂的双极双掷开关符号。虚线表明在拨动开关时，虽然开关的两个极和两对触点互相电隔离，但两个极一起运动。中间的符号有时会出现在大型电路图中，因为大型电路图的布局使得开关的各部分难以相互靠近。
每对触点都用 A、B、C……结尾的简写标明，这样你就明白，这些触点实际上包含在一个开关内。

2. 电源：DC（直流）电源有多种表示方法。图 2-42 的上面部分展示了电池的符号。短线表示负极，长线表示正极。习惯上，一组长短线代表单个的 1.5 V 电池，两组线代表 3 V 电池，等等。但是若电路使用高电压，且含有真空管，绘制电路图的人员通常会在电池之间画上一条虚线，而不是把它们全部画出来。

简单电路图可能仍使用电池符号，但正负直流电更常用单独的符号表示，如图 2-42 的中图和下图所示。正电加在电路中，标记为 Vcc、VCC、V+、+V 或 +V 加上电压数值。最初，VC 指晶体管集电极上的电压，VCC 指整个电路的供电电压，现在无论电路中有无晶体管，都这样使用VCC。很多人用着 VCC，却不知道它的来历。

我就带红圈的加号来表示输入正电压。

电源的负极可以用图 2-42 中下部的任一符号表示。它可以指“负极接地”或只是“地”。因为电路中的很多部分都分享负电势，所以会有多个接地符号出现在电路图上。这比起画很多条线，再把它们连到一起要方便很多。

我用带蓝圈的减号表示负电，因为这很直观。但你一般不会在电路图中见到它。

目前为止，我们一直在讨论电池供电。在使用壁式插座交流电源的小器件中，情况更加复杂，因为壁式插座有三个插孔，分别对应火线、零线和地线。电路图一般把交流电源画成侧放的 S 形，如图 2-43 所示。电源的电压通常会标出来，在美国一般为 110 V、115 V 或 120 V。在电路的其他部分，
图 2-43 右侧所示的符号指安装电子元件的底盘。

注意，家用交流电源插座的接地引脚确实与建筑物外的大地相连。带金属底盘的电子设备连接了接地引脚就是“接地”了。在电压不高的电池供电电路中，没有必要把电路接到“大地”，但仍然可能使用接地符号。

电阻器：电阻器只有两种表示符号，如图2-44 所示。左侧的符号在美国使用，旁边的数字表示电阻器的阻值。或者，电阻器也可以标为R1、R2、R3……，阻值在单独的部件表里列出。
图 2-44 右侧的符号源于欧洲，上面的数字也是电阻器的阻值。图中的 220 Ω 是任意选取的。

记住，若电阻值包括小数点，欧洲人会省略小数点，用 K 或 M 代替；而小于 1kΩ 的电阻表示成字母 R 后面跟着一个或多个数位。

电位器：图 2-45 中，左侧的符号在美国使用，而右侧的符号在欧洲使用。两个符号的箭头都表示电位器的滑动片。470 Ω 是任意选取的。

5. 按钮开关：图 2-46 展示了三种可用的符号。这些符号代表最常见的“常开”型按钮开关或瞬时开关（对开关施加压力时，两触点闭合；释放压力，电路断开）。在更复杂的按钮开关中，按压一个按钮就能开闭多个触点，这时可能用到多极开关符号。
   
   2-46 按钮开关的三种表示符号。

6. 发光二极管：图 2-47 展示了发光二极管（Light Emitting Diode，LED）的四种表示符号。无论是否有圆圈，也无论三角形是实心的还是空心的，它们的意义都相同。本书将圆圈白色高亮是为了看上去更清楚，但其他地方不会这样表示。在绘制电路图时，为了方便，LED 符号可能会朝向任何方向，箭头也可能指向任何方向。

   

   我将在后面介绍其他的电路图符号。与此同时，你要牢记以下几条重要信息。

• 电路图中元件的位置并不影响功能。
• 电路图中使用的符号风格并不重要。
• 元件之间的连接非常重要。

电路图布局

我在前面说过，电路图通常把正电压画在上方，把负电压画在下方。这个习惯对于理解电路的工作方式非常有用。

我见过的所有电子学教材几乎都会要求把图上画的电路转换成面包板上的电路。这很困难，而且可能成为学习电子学的巨大障碍。因此，这里的电路图形式与面包板相似。当你在实验 8中用到面包板之后，这样的电路图就更有意义了。

线路交叉

关于电路图的最后一个主题是交叉导线的表示。在你搭建过的简单电路中，至今还没有线路交叉，但是随着电路越来越复杂，导线必定要互相交叉，又不能形成电连接。电路图怎么表示这一点呢？

以前，我使用的表示法是一根导线在另一根导线上方跨过一个小半圆。图 2-48 把这种方法标为“老式”的。这种方法，可以清楚地看到导线没有形成电连接。但是，画小半圆麻烦，因为人们开始用图形软件而不是笔和墨水来绘制电路图。从那时起，这种方法就用得少了。

另一种方法在图 2-48 中标为“新式”的，有一根导线中间断开。这很让人困惑，而且自动电路图绘制软件也不太容易画出来。因此，这种方法也用得少了。

第三种方法标为“传统”的，现在很常用。我决定与世界其他地区使用的传统方法保持一致，尽管我觉得它没有第一种方法清晰。

你可能也在想，当它们形成电连接时又该怎么画呢？答案是画一个点。为了避免混淆，这个点应该画大一些，而不是只有针尖大小。图 2-48 的下半部分展示了这一画法。于是我们得到了一般规则。

• 两条互相交叉的导线表明没有电连接。
• 导线若交叉于一个点，表明有电连接。

还有一点需要注意。为了清晰，建议你最好避免图 2-48 底部的表示方式。它太不明确了。如果不采用这种方式而是采用它上面的表示方式，我们就会明白，彼此交叉的导线无论如何都不会形成连接。

彩色导线

其实还有一个小问题。因为我不希望你弄混电源的正负极，所以我将把电路图中所有连接正极的导线都涂成红色，而把所有连接负极的导线都涂成蓝色。

黑色更常用来表示负极 / 接地（比如万用表或者电池连接器上的黑色导线）。但是有时也会使用蓝色，蓝色更加与众不同。

你需要记住，若所有的导线都是黑色的，你 将不得不找出哪些是与电源连接的。