一个模块化的项目

以下是你需要用到的东西。

□ 交流适配器，面包板，导线以及万用表。

□ LED，数量：1个。

□ 电阻器，若干。

□ 电容器，若干。

□ 晶体管，2N2222型或其他类似的型号，数量：2个。

□ 2N6027型可编程单结晶体管（PUT），数量：2个。

□ 微型8Ω扬声器，数量：1个。

到目前为止，我所描述的都是小电路，只能完成极其简单的功能。现在是向你展示如何将模块组合在一起，来完成稍微多一点任务的时候了。

这个实验的最终产品是一个像小汽笛一样制造噪音的电路，可以用在侵入报警器中。无论你是否对拥有一个报警器感兴趣，但开发这样一个报警器的4个步骤却是很重要的，因为这个电路将显示各自独立的元件组如何能够彼此通信。

我先向你展示如何将实验8中用继电器搭建出来的振荡电路改为由晶体管搭建出来的固态版本。你也许还记得，在实验8中，继电器的接线方法是这样的：它的线圈通过自己的一个触点来获得电流；一旦线圈获得电流，它就会打开该触点，从而切断电力；一旦该触点释放（即恢复原来的闭合状态），电力又会恢复。这个过程将不断重复。

采用单个双极型晶体管根本无法完成以上的功能。你实际上需要两个双极型晶体管，彼此相互开与关，而其中的工作原理也是相当难理解的。一个较为容易的选择是采用另一种不太一样的东西，这就是可编程单结晶体管，即PUT。

单结晶体管出现于20世纪50年代，不过当更加简单的硅芯片能够以更精确、更便宜的方式来完成同样的功能时，单结晶体管就不怎么使用了。然而，这种所谓的可编程单结晶体管仍然唾手可得，它们主要用在灯泡亮度控制和电机控制上。由于其主要用途是产生一系列脉冲，因此对于我们的目的来讲是很理想的。

如果你像图2-98所示的那样将元件连接起来，那么一旦你加上电源，LED就应该开始闪烁。

图2-98 插上这些元件，加上电源，LED就应该闪烁

R₁：470 kΩ

R₂：15 kΩ

R₃：27 kΩ

C₁：2.2 µF 的电解电容器

D₁：LED

Q₁：2N6027 型可编程单结晶体管

注意这个电路的工作电压是6 V。虽然使用12 V 也不会烧毁任何东西，不过随着我们不断加入新的元件，你会发现它在6 V 下要比在12 V下工作得更好。如果你阅读了“基础要件：可编程单结晶体管”，就会明白这个电路的工作原理。

基础要件

可编程单结晶体管

可编程单结晶体管（PUT）的电路原理图符号跟双极型晶体管的符号大不相同，并且它的部件命名也不相同。尽管如此，它还是具有作为固态开关的类似功能。其符号及3个引脚的名称如图2-99所示。

图2-99 PUT 的电路原理图符号

请注意，这是一个罕有的例子，也许是整个电子学中仅有的一例，PUT的电路原理图符号只有一种，它没有令人感到混乱的变体。PUT的符号总是我这里所画的样子。我个人觉得，如果能够给它加一个圆圈就更好了，但是由于没有人这样做，所以我也就不加圆圈了。

2N6027也许是最常见的PUT了，并且其封装和引脚好像也是标准化的。我只见过塑料注模封装的，没有见过小锡罐的。图2-100所示为摩托罗拉公司或OnSemiconductor公司生产的2N6027的引脚功能。如果你的PUT来自其他公司，那么请参考相应的参数说明书。

图2-100 摩托罗拉公司和On Semiconductor 公司生产的PUT的引脚功能

请注意，PUT与2N2222相比，当二者起相同功能作用的时候，它们的塑料注模的扁平侧是朝着相反方向的。

在PUT的内阻降低到允许电流从“阳极”流向“阴极”之前，PUT都是阻断电流通行的。从这一点来看，PUT似乎十分类似于NPN型晶体管，但是让PUT降低内阻所需要的环境条件是十分不同的。PUT的阳极上的电压决定了PUT何时允许电流流过。

举例来说，假定阳极的电压开始为1 V，然后你让其缓慢增加。在阳极电压接近6 V 之前，PUT晶体管都将一直保持为阻断状态。忽然接近6 V这个阳极电压将使内阻崩溃，电流将从阳极涌向阴极。如果电压往回减小，那么PUT晶体管将回复到它原来的状态，将电流阻断。

我给出了“开关上的手指”示意图的另一个版本，以说明这个概念。阳极上的电压本身负责按动按钮，以打开通向阴极的电流通路，见图2-101。

图2-101 当PUT 阳极上的电压超过阈值（由门极上的预设电压确定）时，电流就由阳极涌向阴极。这给人的感觉就像是，在门极控制电压的某种程度的协助之下，阳极电压自己按动按钮、打开了PUT内部的连接

现在你可能要问，门极是用来干什么的呢？你可以认为它是用来“协助”按钮上的手指的。实际上，门极是PUT的“可编程”部件。通过选择门极的电压，你就建立了电流开始流通的门槛点。

以下是一个简短的复习要点总结。

□ 阳极必须比阴极更正，门极必须在这二者的极限之间。

□ 如果阳极电压增加到超过了某个阈值，电流就从阳极涌入阴极。

□ 如果阳极电压降低到阈值以下，PUT晶体管就阻断电流。

□ 你施加到门极上的电压决定了阈值有多高。

□ 门极电压用两个电阻器来调节，如图2-102的简单电路原理图中的R₁和R₂所示。典型情况下，每个电阻器都是大约20 kΩ。为了保护PUT，利用电阻器R₃用来防止全部的正电压加在PUT上，R₃的数值通常较大，可以是100 kΩ或者更高，这是因为偏置PUT晶体管所需的电流很小。

图2-102 这个简单的电路原理图显示了如何使用PUT。R1和R2确定门极电压，也即设置阳极输入的阈值。当阳极的输入电压高于阈值时，电流就从阳极流向阴极

□ 你在阳极以正电压的形式加入输入信号。当它超过阈值时，电流就从阴极流出，可以让某些输出设备工作。

现在剩下的唯一问题就是我们如何才能让一个PUT振荡起来，以产生一个通/断脉冲序列。答案就在于你在实验11中搭建的面包板电路中的电容器。

第1步 低速振荡

图2-103 是图 2-98 所示的PUT面包板电路的电路原理图，在绘制时我们使其布局与面包板尽可能地相似。

图2-103 这个图使得我们能够较容易地看出在面包板电路中发生的事情

图中15 kΩ 和27 kΩ 的电阻器建立了门极的电压。470 kΩ 的电阻器给PUT的阳极供电，但是由于阳极开始时处于“断开”状态，隔断了电压。因此电压开始对2.2µF的电容器进行充电。

你也许还记得电阻器减慢了电容器聚集电压的速度。电阻器越大或电容器越大，电容器达到满电荷的时间就越长。在这个电路中，电容器大约需要半秒钟的时间达到接近6 V 的电压。

不过请注意，PUT是直接连接到电容器的。因此，电容器上聚集的电压也就是PUT承受的电压。随着电压的逐渐增加，最终达到阈值，从而将PUT翻转到“导通”状态。于是电容器马上通过PUT放电，放电电流通过LED（它将闪烁）而到达电源的负侧。

放电的涌流将耗尽电容器的电荷；电压下降，PUT回复到其原始的状态，因此电容器又开始重新充电。整个过程将不断重复。

如果你使用一个22 µF 的电容器来代替2.2 µF 的电容器，那么充放电的周期将延长为原来的10倍，这将给你充足的时间来进行测量。将万用表设置在DC档，将探针放在电容器的两侧。你将真正地观测到电压不断增加，直到阈值为止，然后电容器开始放电，电压又下降回去。

这样一来，我们现在就得到一个振荡器。那么接下来该干什么呢？

第2步 快过视觉残余时间

如果你换上一个相当小的电容器，它将很快地充电，LED将闪烁得更快。假定你使用的电容器是0.004 7 µF 的（也可以表示为4.7 nF）。这似乎是一个奇怪的数字，但却是一个标准的电容值。这个数值使电容值缩小了500多倍，因此LED的闪烁应该比原来快近500倍，也就是大约1 000 次每秒。人眼无法检测如此快速的脉冲。不过，人的耳朵能够听到每秒10 000 次以及更高的频率。如果我们用一个微型扬声器来代替LED，我们应该可以听到振荡的声音。

在图2-104中，我给出了实现以上想法的方法。请保留原有的、闪烁缓慢的电路不动，在面包板的下部，将原电路复制一份，并根据图中的指示改动几个元件的参数。在图2-105的电路原理图中，电路的新增部分采用了黑实线显示，而原来的部分则用灰色线显示。

图2-104 在面包板下半部增加的元件跟顶部的元件具有相同的功能，只是有些元件参数做了小小的修改

R₄：470 kΩ

R₅：33 kΩ

R₆：27 kΩ

R₇：100 Ω

C₂：0.004 7 µF

Q₂：2N6027

L₁：8 Ω、1 in 的扬声器

图2-105 你原来搭建的部分电路显示为灰色，只有新增的部分是黑色显示

背景知识

扬声器的安装

扬声器的振动膜或者说锥形振膜是用来发散声音的。但是随着它前后来回振动，它的后侧也跟前侧一样发出声音。由于这两个声音在相位上是相反的，它们倾向于互相抵消。

如果你给扬声器装一个环绕它的管状的喇叭，来将前后发出的声音隔离开来，那么人们听到的声音就将显著增大。对于微型的1 in的扬声器，你可以将一张纸弯曲、卷绕起来围在它的周围，见图2-106。

一个更好的办法是，将扬声器装在一个盒子里，让盒子吸收掉扬声器后部发出的声音。对于我们这个简单的实验来讲，我这里将不会介绍开孔音箱和低音反射音箱的设计细节。

图2-106 扬声器会在它的底面和顶面同时发出声音。为了使听到的声音增大，可使用一个纸板绕成的管子将两个声源分离，或者将扬声器装在小盒子中

我要你保留慢速闪烁的电路，是因为我想在稍后再用到它。你可以任由LED在那里眨巴眨巴。

扬声器应该同一个100 Ω 的电阻器串联，以限制从PUT流出来的电流。虽然扬声器装有一根红线和一根黑线，但它没有任何极性。无论你按哪个方向去连接都不会有问题。

开始的时候，你可能会有点失望，因为电路似乎根本不工作。然而，如果你将耳朵贴近扬声器，并且电路的连线正确的话，你应该可以听到微弱的嗡嗡声，就像蚊子叫的声音。显然，这样小的声音无法满足任何实用目的。我们需要使它更大声。换句话说，我们需要将它放大。

也许你还记得在前面的实验中用过的2N2222，它就可以起放大器的作用。下面就让我们来试试它。

第3步 放大

拆下扬声器和与其串联的100 Ω 的电阻器。然后加入2N2222，并通过一个1 kΩ 的电阻器，将PUT 的输出与2N2222 联系在一起（其中电阻器用于保护，以防电流过大），见图2-107。

图2-107 加入一个2N2222 型通用晶体管Q₃，将来自Q₂的信号进行放大。

R₈：1kΩ

Q₃：2N2222

图中其他元件的参数跟搭建这个电路的前一步的参数相同

2N2222的发射极连接到地，集电极通过扬声器及其100 Ω的串联电阻器接到电源。这样一来，PUT上输出电流的微小波动被2N2222的基极感觉到之后，就会被转换成2N2222的集电极和发射极之间较大的电流波动，从而驱使扬声器发出较大的声音。请看图2-108的电路原理图。

图2-108

现在的声音应该比一个昆虫的嗡嗡声要大了，但仍然没有大到可以实用的程度。该怎么办呢？

再增加一个2N2222会怎么样呢？双极型晶体管可以串联使用，以使第一个的输出进入第二个的基极。这样一来，第一个24：1的放大倍数就要乘上第二个24：1的放大倍数，得到一个大于500：1的总放大倍数。

这项技术存在一些局限性。2N2222在过载之前能够通过的电流并不大，过大的放大倍数会导致畸变。不过，在我搭建这个电路的时候，我用万用表核实了电路仍然工作在2N2222的设计极限之内，而且对于这个项目来讲，我并不在乎声音稍微有点失真的问题。

如图2-109那样，加入第二个2N2222型晶体管Q₄。图2-110是对应的电路原理图，跟以前一样，已有的电路用灰色表示，新增的电路用黑色表示。

图2-109 再加一个2N2222 型晶体管Q₄，将信号进一步放大。Q₄接收来自电阻器R₉（2.2 kΩ）的电流信号

图2-110 这个电路原理图跟图2-109的元件布局是基本一致的

如果电气元件的累积开始让你感到有点混乱的话，那么请记住电路的每一块都有一个独立的功能。我们可以绘制一个方块图来说明这一点，如图2-112所示。

使用第二个2N2222型晶体管Q4，你应该发现输出的声音可以听得更加清楚了（至少在你的微型1 in 扬声器的范围之内是如此）。将你的手合拢成杯状，绕在扬声器周围来使声音定向传播，你会发现音量似乎增大了。你也可以试试3 in 的扬声器，当其仍然保持在小小的2N2222型晶体管的极限之内的时候，3 in 的扬声器通常能够产生出更好听的声音。见图2-111以及图2-106。

第4步 脉冲输出

如果你想将这个音频信号用作某种报警器，那么它那恒定、单调、嗡嗡的噪音是难以令人满意的。一阵一阵的脉冲式输出更容易引起人们的注意。

好啦，在你前面搭建的电路中，电路第一部分的作用是产生一个大约为每秒两次的脉冲信号，来让一个LED闪烁。也许我们可以去掉那个LED，并将它的输出从电路的第一部分输入到电路的第二部分。图2-112的底部的框图解释了这个概念。

图2-111 2N2222 型晶体管足以驱动3 in的扬声器，这么大的扬声器产生的声音要比1 in 的扬声器的声音好

真的这样简单就可以达到我们的目的吗？嗯，我可以回答是，也可回答不是。还有一个窍门就是要让第一部分的输出和第二部分的输入兼容。如果你仅仅是简单地从第一个PUT的阴极连一根线到第二个PUT的阳极，那它不会工作的，因为第二个PUT已经在低电压和高电压之间以大约每秒1 000 次的频率很好地振荡着，加入另外一个电压只会破坏振荡的平衡条件。

图2-112 上部：产生噪音的振荡器电路的基本功能，用一个框图来显示。底部：同样的功能，加入了一个慢速的振荡器来控制快速的振荡器

然而，请记住PUT的门极电压影响它导通的阈值。如果将Q₁的输出连接到Q₂的门极，也许我们就可以自动地调整Q₂的阈值了。不过，这个电压还是应该位于PUT可接受的阈值范围之内才行。我们可以试用不同的电阻器，看哪一个工作得较好。

这听起来有点像试凑法——事实上，它就是试凑法。就我而言，无论从哪个角度来看，通过计算来预测这种电路的行为是一项过于复杂的工作。我仅仅看了看制造商的参数说明书，看到了PUT能够允许的电阻器的阻值范围，并据此选择了一个电阻，它看起来能够工作。

如果去掉LED，像图2-113所示的面包板示意图那样，用R₁₀来代替它，那么你将发现Q₁的波动输出使得Q₂发出了两种音调的信号。这已经很有趣了，但还不是我想要的。我所考虑的是，如果我使Q₁的脉冲输出不那么急剧陡峭的话，结果应该会更好。而让一个脉冲输出变平滑的办法是并联另一个电容，这个电容将在每一个脉冲开始的时候充电，而在每一个脉冲结束的时候放电。这就是图2-114中的C₃的作用所在，它最终完成了我们的电路，使电路发出嚯嚯的声音，几乎就跟“真的”报警器一样。

如果你根本没有得到任何的音频输出，请仔细检查你的接线。在面包板上很容易接错线，尤其是接到各个晶体管3条引脚的接线很容易搞错。使用万用表，将其设置在DC档，检查并确保电路的各部分相对于电源的负端具有正的电压。

图2-113 电阻器R₁₀将面包板顶部的慢速振荡器连接到面包板中部的PUT——Q₂的门极。在一个平滑电容器的配合下，这样的连接对音频振荡器起到了调制的作用

图2-114 这个电路原理图跟图2-113显示的是同一个电路，其中

R₁₀：10 kΩ

C₃：2.2 µF

图2-115显示了你的电路在面包板上的实际样子。

调试

这里还有许多创新的空间。

□ 调整声音的频率。使用较大或较小的电容器来代替C₂（为现值的一半或两倍）。R₅改用较小或较大的阻值。

□ 调整脉冲特性。使用较大或较小的电容器来代替C₁（为现值的一半或两倍）。R₂改用较小或较大的阻值。

□ 通用性能的调整。R₁试用较大的阻值。C₃试用较小或较大的数值。

□ 试着在7.5 V、10 V 以及12 V 下运行电路。

图2-115 这个照片显示的是已经在面包板上完成的报警器音频电路

本书提供的电路仅仅作为大家的一个起始点。你应该试着去调整每一个电路，使它们变成你自己的东西。只要你遵从用电阻来保护晶体管和LED的一般性规则，并满足它们对正电压和负电压的要求，就不太可能烧掉它们。当然，偶然事件还是会发生的——我自己就有点粗心，在搭建这个电路的时候烧掉了好几个LED（仅仅因为我接反了LED的方向）。

第5步 功能增强

噪音产生电路仅仅是报警器的一个输出电路，你还需要增强几样功能来使它变得真正有用。

（1）需要某种入侵传感器。可否采用供窗户和门使用的磁性开关？

（2）需要某种启动声音的方法，当某个传感器被触发时，可以启动声音。通常的做法是让一个很小却恒定的电流通过相互串联的所有开关。可以使用一个双掷继电器来实现这一点：平常当电路闭合的时候，继电器处于激磁状态；而当电路断开时，继电器被释放，其一对触点打开而另一对触点闭合，这会将电源送往噪音产生电路。

这个方法的问题在于，继电器长期处于激磁状态要消耗较大的电力，此外还会发热。我希望我的报警器处于“准备”状态时消耗很少的电流，这样才便于用电池来供电，因为报警器不应该完全依赖于家里的交流电源。

如果不用继电器，我们可不可以使用晶体管来代替它，在电源中断时开启电路的另一部分呢？这是绝对可以的！实际上，一个晶体管就可以完成这个任务。

（3）那么，究竟如何在现场安装报警器呢？实际上，我们需要采取一个三步的程序。第一，要有一个小指示灯可供校验，当所有的门和窗关好的时候，它应亮起来。第二，要有一个按钮可供延时，当你离开时按下按钮，它进行30 s 的倒计数，让你有充足的时间离开（如果你希望这样的话）。第三，30 s 以后，报警器进入监控状态。

（4）如果报警器被触发，会发生什么事情呢？如果某人强制打开一扇窗户，那么一旦窗户关闭以后，报警器会不会又停止报警呢？不应该的，报警器应该自锁，直到你将其关闭。

（5）如何关闭它呢？通过小键盘输入某种密码比较合适。

（6）但是，为了避免报警器触发后吵得人人发疯（当你不在场的时候），报警器最终应该自动停止发出报警声，也许可以让其在大约10分钟以后停止。之后它应该保持安静，不过应该点亮一个LED来告诉你发生了什么。然后你可以按下一个复位按钮，来断开LED。

愿望清单的实现

我在上面汇集了一个愿望清单，它似乎可以使这个项目比目前复杂5倍。是的，这就是当你要超越小小的演示电路、想设计某种可以在日常生活中应用的东西时将要遇到的问题。你会忽然发现，你不得不去满足各种各样的环境和条件要求。

实际上，我能够也将要向你展示如何去完成愿望清单中所有的增强功能，但是我现在正在思考的一个问题是，做这些工作首先要求我们更加严肃认真地对待各种普通的电子实验项目。如果你雄心勃勃地要制作某样东西，那你肯定希望将它做得更耐久，也许还希望将它做得更紧凑，而不仅仅满足于做出一个将元件插在上面的面包板电路。

因此，你需要知道如何在模型电路板上，用焊锡将各种东西永久连接起来，以便你可以将它装在一个小巧的项目盒里，只让开关和指示灯露在外面。

在下一章中，我将介绍焊接和封装。然后再回过头来继续报警器的项目。