极简单的开关

以下是需要的东西。

□ AA电池，数量：2节。

□ 装2节AA电池的电池盒，数量：1个。

□ LED，数量：1个。

□ 拨动开关，单刀双掷的，数量：2个。见图2-12。

□ 220Ω 或类似阻值的电阻器，最小0.25 W，数量：1 个。

□ 弹簧夹，数量：8个。

□ 导线或转接线，见图2-10。

□ 钢丝钳、剥线器（如果你不使用转接线的话），见图2-4。

在实验3中，你已经通过将LED连接到一节电池上而使LED点亮，并通过移除电池来使其关闭。为了更方便，我们的电路需要用适当的开关来控制电源。当我介绍开关的一般性内容时，我将探讨各种开关，并针对实验电路提出一些可能的应用。

如图2-17和图2-18那样组装元件。LED的长引线必须连接到电阻器，因为这是电路电位更高的一侧。

图2-17 如果LED 是亮的，拨动任何一个开关都将使其关闭。如果LED是暗的，拨动任何一个开关都将使其点亮。用弹簧夹将导线接在一起，再接到开关上（如果你的开关没有螺丝端子的话）。注意不要让夹子碰到一起

图2-18 采用带有螺丝端子的大尺寸拨动开关，使这个简单电路的连接变得十分容易

你会发现不得不添加几段导线。我建议你使用绿色的线，以提醒你这些导线段既没有连接到电源的正极，也没有连接到电源的负极。不过你也可以使用你喜欢的任何颜色。你也可以用转接线来替换（如果你有的话）。学会从导线上剥掉绝缘层是一种必要的技能，下面我们就来学习这个技能。

工具

如果自动剥线器（图2-19）不能有效地剥除22号线规导线的绝缘层，请试试前面图2-4中所示的Ideal牌的剥线器，或者图2-20所示简单、普通的钢丝钳。当使用钢丝钳时，你要一只手握紧导线，另一只手使用工具，按压手柄的力道要恰到好处——正好咬入绝缘层而不能用力过大以致把导线剪断。在你往上拉钢丝钳的同时，往下拉导线。经过一些练习之后，你就可以剥掉绝缘层使导线的端部暴露出来。

图2-19 在使用自动剥线器的过程中，当你按压手柄时，左侧的钳夹会夹住导线，右侧的尖锐沟槽则会咬入绝缘层中。再用更大的力气按压手柄，左右两边的钳夹会分离，从而将绝缘层从导线上剥离

图2-20 为了去掉细线端部的绝缘层，也可以使用钢丝钳。这需要一点训练

图2-21 那些倾向于乱放工具的人，在为寻找工具而感到十分不耐烦的时候，可能会尝试用牙齿来剥去导线的绝缘层，这可不好

豪放的硬件高手可能会使用他们的牙齿来剥去导线的绝缘层。如图2-21所示。我年轻的时候，就常常这样做，有两颗稍微有点缺口的牙齿可以替我作证。说实话，真应该使用正确的工具来干这个活儿。

连接问题

受你所用拨动开关大小的影响，你也许会遇到如何才能将所有的弹簧夹放置到位，以便将导线连接在一起的麻烦。如今微型拨动开关比大尺寸的拨动开关更为常见，这点特别烦人（见图2-22）。请耐心点，很快我们就将使用面包板，这几乎可以完全避免使用弹簧夹。

图2-22 可以使用微型拨动开关（与微型弹簧夹一起使用就很理想），不过要注意避免短路

测试

请确保将LED的长引脚连接到电源的正端（在这里是电阻器的一端）。现在拨动任何一个开关。如果LED原来是亮的，它将熄灭；如果原来是熄灭的，那么它将点亮。拨动另一个开关，会有同样的效果。如果LED根本就没有点亮，那么你也许接错了方向。另一种可能就是你的某两个弹簧夹可能把电池短路了。

假定你的两个开关已经能够像我描述的那样工作了，那这里面到底是怎么回事呢？现在是了解基础知识的时候了。

基础知识

开关

当你拨动实验6中使用的拨动开关时，它将把中心端子连接到两个外侧端子中的一个。将开关拨向另一端，它将把中心端子连接到另一个外侧端子，如图2-23所示。

图2-23 中心端子是开关的“刀”（或称“极”）。当你拨动拉杆时，刀就会改变其连接对象

中心端子称作开关的刀（或极）。由于你可以拨动这个开关到两种可能的连接，因此它被称作双掷开关。前面曾经提到，单刀双掷开关缩写为SPDT。

有些开关是开/关型的，意即当你将它们掷向一侧时，它会建立一个连接，而掷向另外一侧时，它根本不建立任何连接。你家中的大多数电灯开关都是这种类型。它们被称作单掷开关。单刀单掷开关缩写为SPST。

有些开关有两个完全分离的中心接线柱（两个刀或极），因此，当你拨动开关时，可以同时建立两个分开的连接。这种开关称作双刀开关。看看从图2-24到图2-26所示的老式刀闸开关的照片（在学校里教小孩子电子学时，仍然在用这种开关），你将看到单刀和双刀、单掷和双掷的最简单表示符号。图2-27所示为几种触点封装在内部的拨动开关。

图2-24 这个原始的单刀双掷开关与图2-23以及图2-27中的拨动开关具有完全相同的功能

图2-25 单刀单掷开关只有一个刀，只能建立一个连接。它的两个状态仅仅是打开和闭合，或通与断

图2-26 双刀单掷开关建立两个独立的通/断连接

图2-27 这些都是拨动开关。一般来讲，开关越大，能够处理的电流就越多

为了让东西做得更有趣，你也可以购买拥有3刀或4刀的开关（有些旋转开关拥有更多的刀，但我们不会用到）。此外，有些双掷开关有一个附加的“中央断开”位置。

结合上述介绍，我对可能的开关类型做了个总结（图2-28）。阅读元件清单时，你可以查这个表来提醒自己各种开关缩略语的意义。

图2-28 这个表总结了拨动开关以及按钮的所有种类

那么按钮的情况又怎样呢？当你按门铃时，你就是在建立一个电气连接，所以这也是一种开关类型——它们的正确名称应该是短暂开关，因为它们只建立一个短暂的连接。任何弹簧加载的开关，或需要跳回到原有位置的按钮都称作短暂开关。为了指明这一点，我们将其短暂状态用括号括起来。下面是一些例子。

（1）OFF-（ON）：由于ON 状态在括号中，所以ON 就是短暂状态。这是一种单刀开关，它只在你按压时才建立连接，当你放开时，它又回复原状，断开连接。这也称作“常开”短暂开关，缩写为“NO”。

（2）ON-（OFF）：与上面相反的短暂单刀开关。它的正常状态是ON，但当你按压时，连接就断开了，所以OFF状态是短暂状态。它被称作“常闭”短暂开关，简写为“NC”。

（3）（ON）-OFF-（ON）：这个开关具有一个中心断开位置。无论你往哪个方向按压，都将建立一个短暂的连接，而当你放开时，它又将回复到中心断开的状态。

其他的形式也是可能的，例如ON-OFF-（ON）、ON-（ON）等。只要你记住括号中的状态表示短暂状态，你就能够弄明白这些开关是干什么的。图2-29就显示出了单刀双掷开关的便利性。

图2-29 这个疯狂科学家正在准备给它的实验加电。为此，它使用了一个单刀双掷的刀闸开关，很便利地安装在他的地下实验室的墙上

火花

当你建立或断开一个电气连接时，有产生火花的倾向，这对开关的接触很不好。火花将吞食开关，直到开关不再形成可靠连接为止。由于这个原因，你必须使用恰当的开关，它应该能够应对你的电压和电流。电子电路通常是低电流、低电压的，因此你几乎可以使用任何开关。但如果你要开关的是一个电机，那么流经它的初始冲击电流起码是恒速运行时额定电流的两倍。因此你也许需要用一个4 A 的开关来控制一个2 A的电机。

开关的检测

可以用万用表来检测开关。这可以在开关倒向一边或另一边时，帮助你确定到底哪个触点是接通的。这对于按钮的判断也很有用，当你记不清一个按钮到底是常开（你按压它来建立连接）还是常闭（你按压它来断开连接）的时候，就需要检测。将万用表设置在欧姆档，将探针接到开关的端子上，同时操作开关，来进行检测。

不过这样测量有点麻烦，因为你必须等待万用表做出精确的测量。其实，当你只想知道是否存在连接时，你可以使用万用表的连续性测试器的设置。如果它发现连接，它将嘟嘟响；若没有发现连接，它就一声不响。图2-30、图2-31和图2-32是万用表设置成连续性测试的例子。图2-33是测试拨动开关连续性的一个例子。

只有当电路或元件没有加电时，才能使用万用表上的连续性测试功能。

图2-30

图2-31

图2-32 在检测电路的连续性时，将你的万用表的拨盘拨到相应符号所示的位置。只有当元件或电路没有电时，才能使用这个功能

图2-33 当开关使其两个端子相连时，如果你已经将万用表设置在连续性测试状态，那么万用表将显示端子之间的电阻为零，并发出嘟嘟的响声

背景知识

早期的开关系统

对于我们的世界来讲，开关似乎是极其基本的一个特征，并且它们的概念是如此的简单，以至于人们容易忘记它们也曾经历了一个逐步发展和改良的过程。原始的刀闸开关对于电的开拓者们来讲是相当合适的，他们只是需要简单地把电接入到实验室中的某个设备或者从其设备中断开。但是当电话系统开始激增的时候，人们需要更为成熟、精密的开关方法。尤其是，开关板旁的电话接线员需要一个方法来连接板上10 000线电话中的任何一对线。这如何才能做到呢？

1878年，查尔斯·E.斯克里布纳（图2-34）开发出了“折刀开关”，之所以这样称呼，是因为接线员手握的那部分像一把折刀的手柄。突出部分是一个插头，当插头压入一个插孔时，在插孔的内部就建立起连接。事实上插孔就是开关。

吉他及放大器等的音频接头仍然靠同样的原理工作，我们称其为“jacks”，这个术语其实就来源于斯克里布纳的发明。在插座内部仍然包含开关触点。

当然，如今电话开关板已经像电话接线员一样稀少了。首先，它们被继电器——电动开关（这将在本章稍后介绍）——取代了。后来，继电器又被晶体管——它无需任何运动部件但却可以使任何事情发生——代替了。在本章结束的时候，你将使用晶体管来切换电流。

图2-34 查尔斯·E.斯克里布纳在19世纪后期发明了“折刀开关”来满足电话系统切换的需要。今天的音频接口仍然使用同样的方法[2]

电路原理图介绍

所有原理图以及面包板照片的大尺寸版本都可以在本书的网站上得到，网址是http://oreilly.com/catalog/9780596153748。

在图2-35中，我利用称作电路原理图的简化方式重画了实验6的电路。从现在开始，我将用电路原理图来说明电路，因为它们使得电路更加容易理解。你只需掌握一些符号就可以解释电路原理图。

比较图2-35和图2-17可知，两个图显示的是完全一样的东西：元件，以及元件之间的连接。在电路原理图中，灰色的矩形是开关，锯齿形的东西是电阻器，沿对角线方向画有两个箭头的符号是LED。

电路原理图中LED符号的两个箭头，表示它能够发光，以区别于其他不发光的二极管（这些二极管将在稍后介绍）。二极管符号内部的三角形总是从正指向负的。

跟踪电路中电流可以流通的路径，并想象开关被切换到一边或者另外一边。现在你应该可以清楚地看到，为什么其中任何一个开关都可以使LED的状态发生从通到断（或从断到通）的变换了。

这个电路在家庭中十分常用，例如在楼梯的底部装一个开关，在顶部装一个开关，让两个开关控制同一个灯泡，用的就是这个电路。房子里的导线要长得多，迂回布局在墙体内，不过由于连接方式仍然是相同的，因此可以用同样的电路原理图来表示。见图2-36。

图2-35 这个电路原理图跟图2-17 显示的是同一个电路，不过它更容易看出开关的作用

图2-36 图2-17 及图2-35 所示两开关的电路常见于家庭布线中，尤其是当开关位于楼梯顶部和底部的时候。这个草图绘出了你可能在墙内发现的布线情况。其中的导线是用盒子中的“螺帽端子”来连接的，隐藏在通常看不到的地方

电路原理图并不会告诉你在元件要确切放置的地方，它只告诉你如何将元件连接起来。这就出现了一个问题：不同的人可能会使用略有差别的电路原理图符号来表示同一样东西。为此，请参考“基础知识：基本的电路原理图符号”来做更深入的了解。

基础知识

基本的电路原理图符号

电路原理图的符号就像一种语言的单词一样：在长期的使用过程中，它们变异出了许多让人混淆的变种。例如，一个简单的ON/OFF（单刀单掷，SPST）开关，就可以用图2-37所示的任何一个符号来表示。它们都表示同一个东西。

图2-38所示为双刀双掷开关的表示符号。符号中的虚线表示开关内的机械连接，因此当你翻转开关时，你将同时影响这两把刀。请记住，刀与刀之间在电气上是彼此绝缘的。

图2-37 符号的变种：在电路原理图中，用不同式样的符号来表示单刀单掷开关。本书采用最下面的版本

图2-38 更多的变种实例：表示双刀双掷开关的一些符号样式。本书使用右下角的符号

偶尔你会看到电路原理图中的开关似乎是沿着四周散布的，不过它们的标识方式（譬如S1A、S1B、S1C等）会告诉我们，这其实只是同一个开关的多个刀而已。

在本书的电路原理图中，我将为每个开关设置灰色矩形底纹。这个灰色矩形并不是标准的符号，你在其他的书中是看不到的。我这样做的目的只是想提醒你，里面的所有部件都是包含在同一个外壳中的。

在电路原理图中，有一个很重要的式样变种，就是导线是否彼此相连的表示方法。老式的电路原理图在表示一根导线与另一根导线相交叉而没有连接时，往往在交叉处将其中一根导线显示成一个小小的半圆形的隆起。由于现代的电路绘制软件不能生成这种样式的电路原理图，因此这种表示方法已经不再常用了。如果你在线浏览电路原理图的话，应该可以发现，导线交叉的现代表示方式可以归纳如下。

□ 汇合两根导线的圆点表示一个电气连接。

□ 没有圆点则表示没有电气连接。

问题是这种表示方法不是很直观，尤其是当你刚开始使用电路原理图的时候。当你看到两条导线交叉时，即使在交叉处没有圆点，你也很容易以为它们是连接在一起的。因此，为了清楚起见，在本书中我选择使用电路原理图的老式版本，即“半圆形隆起”的形式来表示交叉连接（见图2-39）。这种样式可以归纳如下。

图2-39 在接线原理图中，一个圆点总表示一个电气连接。然而，右上方导线的十字形交叉是一种十分不良的表示方法，因为如果这个圆点不小心忘记画了或印制不清楚，那么这个交叉就会被误以为是左下角这种代表没有连接的式样。下面一行的3种样式都表示没有连接，第一个样式最为常用，中间的样式用得最少。右边的样式最为古老，然而为了清楚起见，本书使用这个样式

□ 汇合两根导线的圆点表示一个电气连接。

□ 当与另一导线交叉时，导线上为“半圆形隆起”表示没有连接。

在本书中，你找不到既没有圆点又没有隆起的导线交叉。

在电池供电的电路中，你可以找到电池的符号，不过在更多的情况下，你将看到一个小注释，指明正电压从哪里进入系统，而负端则用一个表示“接地”的符号来指明。事实上，电路原理图中可能到处都是接地符号。你必须记住，当你搭建电路的时候，所有引向地的导线实际上都必须连接在一起，连到电源的负端。

接地符号的应用可以追溯到将电子设备安装在金属底板上的时代（金属底板是接在电源负端的）。接地符号实际上意味着连接到底板。图2-40绘出了接地符号的一些变种。

图2-40 所有这些符号都表示同一件事情：将导线连接到“地”、“底板”或者电源的负端。本书使用最右端的符号

由于本书采用全彩色印刷，因此我把正端显示为红色，把负端显示为蓝色，以清楚地显示电源连接的地方，这样一来，就不再使用通常的接地符号。重申一下，我这样做的目的是为了使误解的风险最小，因为我最清楚，若搭建的电路不能正常工作，那将是多么令人恼火啊。

电路原理图中有一个很大的不一致，就是电阻器的表示方法。传统的锯齿符号表示法在欧洲已经被抛弃。取而代之的是一个矩形，并在里面标上阻值来表示电阻器。见图2-41。欧洲人也改变了十进制小数点的表示方法：他们尽可能省去小数点，因为在印刷不清楚的电路原理图中，小小的圆点往往容易丢失（或者与灰尘、污垢相混淆）。因此，他们将4.7 kΩ 的电阻器列写为4K7，将1.2 MΩ 的电阻器列写为1M2。我喜欢这种表示方法，因此我自己也将使用这种表示方法，不过由于锯齿形的电阻器符号在美国仍然广泛使用，所以本书仍然使用锯齿形的电阻器符号。

图2-41 这是220 Ω 电阻器的两种样式。上面的是传统的样式，但在美国仍然广泛使用。下面的是欧洲的样式

电位器符号的样式在美欧之间也存在着同样的不一致，不过无论哪种样式，你都会看到有一个箭头指明滑动片（通常是中央端子）接触电阻的位置，见图2-42。图2-43、图2-44和图2-45给出了按钮开关、电池和白炽灯的符号。有时你会看到LED被画在一个圆圈内，有时又没有。我个人喜欢有圆圈的，见图2-46。

图2-42 电位器符号：左图是传统的样式，在美国这么用；右图是欧洲的样式。在这两个样式中，箭头都表示滑动片（通常是中央端子）

图2-43 按钮开关符号的3 种样式

图2-44 电池符号通常不会显示正号和负号。为了清楚起见，我加入了正、负号

图2-45 白炽灯的符号

图2-46 有时LED 显示为带圆圈的符号，有时又没有。在本书中，我使用带圆圈的符号来表示LED，其中的箭头表示发光

在本书的后面，我还将介绍其他一些符号变种，同时，我们要记住的最重要的几点如下。

□ 电路原理图中元件的位置并不重要。

□ 电路原理图中所用符号的样式并不重要。

□ 特别重要的是元件之间的连接方式。

例如，图2-47给出的3个LED电路中元件的位置不同，元件表示符号也不同，但这3个电路具有完全相同的功能，因为它们的连接是相同的。实际上，它们绘出的都是你在实验4中搭建的电路（图1-50）。

图2-47 这3 个电路原理图绘制的是同一个基本电路，它就是你在实验4中用电位器搭建的电路

图2-48 这个电路原理图只是图2-35所示电路的另一个更加清楚、更加简单的表示

通常，电路原理图中符号的放置原则是使电路直观易懂，而不管你如何用实际的元件来搭建这个电路。对比图2-48的例子（显示了两个双刀双掷开关）与图2-35中显示的版本，可以看出，以前的图看起来更像你在实验桌上做出来的版本，而图2-48则更清楚地显示了电流的流向。

在许多电路原理图中，电源的正端显示在图的顶部，负端或地显示在底部。在画电路原理图时，许多人喜欢将输入（譬如放大器电路中的音频输入）画在左侧，而将输出画在右侧。因此，“正电压”从顶部流向底部，而信号则从左侧流向右侧。

我在规划本书的时候，开始也遵从这个从上到下、从左到右的惯例来绘制电路原理图，但当我开始搭建和调试电路时，我改变了主意。因为我们使用称作“面包板”的设备来搭建电路，它的内部连接要求我们以完全不同于一般电路原理图的方式来布置元件。在你初学电气电子学时，要对一个电路原理图中的元件位置重新布置，来满足面包板的要求，这将是一件令人十分头疼的事情。

因此，你将发现本书从头到尾的电路原理图都是仿照面包板上布线的情况来绘制的。我相信这样做的优点要比其缺点多得多，其缺点无非是与其他地方的电路原理图样式有一点点不同而已。