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儿童电子学(一):LED

2022-07-19 17:25:28 Giovanni Di Maria 阅读:
电子是当今的热门话题,许多孩子们也期望了解并掌握这个重要技术的基本原理。本文是一个面向孩子们的基础电子课程,将并以简单有趣的方式教他们基础知识,激发他们的兴趣。

电子是当今的热门话题,许多孩子们也期望了解并掌握这个重要技术的基本原理。本文是一个面向孩子们的基础电子课程,将并以简单有趣的方式教他们基础知识,激发他们的兴趣。LZ7ednc

如今的电子电路是可编程的

与往昔的电子电路不同,如今的电子电路增加了可编程性。例如,一个复杂的系统现在由自动装置、指示器和传感器组成,只需一个小型微控制器(MCU)即可创建,而在过去,则需要由数千个电子元器件组成的大型电路来实现。LZ7ednc

因此,当下年轻人的逻辑能力非常接近自动系统的行为。LZ7ednc

目前的学校为学生提供了许多学习新方法的时间,例如他们非常早就接触到了数字,为学习编码打下了基础。此外还有SAM Labs(参见图 1),这是一种独一无二的编码资源,是用于设计、构建和调整程序的实践课程工具包,包括尖端编码软件、简单的蓝牙连接硬件等。它易于使用和理解,对于那些对电子设备、工程学及技术等方面感兴趣的孩子而言是一个非常实用的启蒙工具。让学生提前对技术产生兴趣并促使他们提出与技术运作相关的问题。LZ7ednc

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图 1:创新而有趣的SAM LabsLZ7ednc

学生可以使用SAM Studio基于模块的拖放编码来开发移动、点亮以及与环境交互的复杂系统。由于SAM模块通过蓝牙进行连接,新项目就可以移动、点亮和与环境交互。该方法使学生能够快速轻松地创建和学习,从早期引入概念,并提供编码和原型解决方案。学生可以使用编码和原型解决方案快速轻松地创建和学习。甚至孩子们不会意识到自己正在学习科学原理。例如,Maker专业课程使K-8教师能够支持他们的孩子进行基于活动的学习、探索和原型制作。LZ7ednc

该公司提供了几种工具包,每种工具包都有特定的用途,专门用于一定程度的知识基础和难度。例如,儿童可以使用和编程交互式积木来执行某些任务,这些与乐高积木兼容的小型可编程积木,可通过蓝牙连接到用户的设备、计算机或平板电脑。带有微型 USB 连接器的可充电电池为每个模块供电。这些模块由橡胶外壳保护,并且具有极强的抗冲击性。这些模块是无线的,不需要触摸或用电线连接,不使用的模块会被关闭,以便课程持续大约一周。LZ7ednc

儿童电子

很多孩子从六七岁开始就对电子产品产生了兴趣,他们先是被闪烁的灯光、旋转的电机和发声设备吸引,在玩了几分钟他们最喜欢的玩具后,他们就进入下一个有趣的阶段,即拆解,看看里面有什么。LZ7ednc

这篇和后续的儿童电子系列文章将涵盖非常基本的电子技术主题,完全安全。LZ7ednc

只需遵循理论或使用真实的电子元器件创建实际连接,就可以很容易地理解电路,所有这些都是现成的,此外孩子们也可以向大人寻求帮助。小而简单的实验可以在有趣和安全的操作中点燃激情。开始执行电子组装将需要工具和元器件(参见图 2)。以下是最重要的列表:LZ7ednc

  • 一些电子元器件——电阻器、发光二极管(LED)、灯泡、电容器、开关等。将在每次单独实验时有着不同的作用
  • 单芯电缆,并配有鳄鱼夹,以便于连接
  • 5V 扁平电池
  • 一个简单的万用表

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图 2:第一次实验所需的物品LZ7ednc

电路

为了理解电子学的一些基本元素,有必要探讨电路基础的最小理论。事实上,电流是一种电子流,它以无限涡流的形式从发电机的一极流向另一极。电路是发电机、电导体和负载之间的物理连接。为了保证电子循环通过,一些条件是必不可少的:LZ7ednc

  • 发电机必须产生足够数量的电子。
  • 负载必须正常工作且不会中断。
  • 电线必须是良好的电流导体,通常由金属(铜或铝)制成。

为了更好地理解电路的概念,可以将其与液压系统进行比较,如图3所示。事实上,将电流和水流进行比较,可以使控制这两个元素的概念和定律理解起来非常简单——它们非常相似。LZ7ednc

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图 3:电流和水流的相似之处LZ7ednc

在图中可以看到:LZ7ednc

  • 电压发生器,使电路中的电子运动
  • 耗电元件(灯、LED、电机)
  • 限制电子通过的电阻器
  • 电缆

这些元件中有任何一个断开,则不再有电子通过,电路开路。LZ7ednc

点亮一个LED灯

LED是一种通过让特定数量的电子流过,进而产生光子(光)的器件。电流不是随意设定的,所有参数必须使用基本的数学程序确定。下面的实验是完全安全的,并解释了一些基本的电子概念:LZ7ednc

  • 电压的正确极性
  • 限制电流
  • 电路的连续性

因此需要以下材料:LZ7ednc

  • 4.5V 扁平电池
  • 一个 180Ω 电阻器
  • 一个红色 LED灯
  • 三根带鳄鱼夹的连接电缆

如上图所示,建立了以下连接:LZ7ednc

  • 在电池正极和电阻(无极性)一端之间连接红色电缆。
  • 在电阻的另一端和 LED 的阳极(可通过发光体底部的圆形部分识别)之间连接橙色电缆。
  • 在 LED 的阴极(可通过发光体底部的扁平部分识别)和电池的负极之间连接黑色电缆。

如果连接正确完成,LED 会立即以正常亮度亮起。如果电池或 LED 的方向接反,则不会亮起。此时若拆下电阻并将两根松开的电线连接在一起,则会导致大量电子无限制地流向 LED,从而烧坏LED。LZ7ednc

如何点亮两个 LED

下一步是点亮两个或多个 LED 的步骤。事实上,这是一个非常简单的操作,但要正确执行它,必须遵守几条规则。LZ7ednc

这个方案会与点亮一个LED的方案有所不同,在下面的案例中,让我们来探索点亮两个LED的正确方法。LZ7ednc

不考虑使用两个电池、两个电阻和两个LED的简单解决方案的话,以下是可行的替代方案:LZ7ednc

  • 将LED 并联
  • 将LED串联

这两种方法决定了电流在电路中的传播方式,就像水网一样(参见图4中的两种解决方案)。让我们试着了解这两种方法是如何工作的。LZ7ednc

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图4: LED并联和LED串联。LZ7ednc

这两种电路都可以点亮两个LED,但方式不同,让我们看看怎么做。LZ7ednc

在左边的电路中(并联),电流随机地流过两条不同的路径:LZ7ednc

  • 一部分电流流过第一条路径,为电阻器R1和LED D1供电。
  • 另一部分电流流过第二条路径,为电阻器R2和LED D2供电。

在经过LED之后,两部分电流会再次汇聚到相同的路径上,返回到电池并重复该过程。LZ7ednc

在右侧的电路中(串联),从电池中流出的电子流依次通过电阻器R3、LED D3和LED D4。在这两个例子中,LED都能正常亮起,所不同的是电路的类型。LZ7ednc

值得注意的是,在第一个示例中,电阻器R1和R2的值为180Ω,而在第二个示例中,电阻器R3的值仅为47Ω。LZ7ednc

这就让我们了解到,电阻值越低,通过电路的电子流就越高。LZ7ednc

现在必须了解的是电路中电子循环的重要性。具体来说:LZ7ednc

  • 如果电路中的所有元器件都正确连接,则它将正常工作并且存在“闭合电路”。
  • 如果电路中至少有一个元器件断开或有缺陷,则它无法正常工作并且存在“开路”。

按照惯例,电子从正极到负极的方向移动,任何元器件中断都会中断这个过程,实际上,这个过程非常快,它们以大约 300,000 km/s的速度前进。大地(或地)的符号表示在这个电气分支上,有一个0V的电压。在并联电路中,两个分支是完全独立的。如果我们断开一个电阻器(例如R1)或一个二极管(例如D1),甚至通过将其倒置来反转其极性,另一个分支将继续工作而不会出现问题。然而,在串联电路中,情况并非如此。两个 LED 依赖于相同的电流,因此移除电阻 R3 或两个 LED(D3 或 D4)之一即可中断电路的运行。通常,照亮圣诞树的灯是串联的,一个灯泡烧坏就足以使整个电路无法使用。LZ7ednc

练习

在成年人的帮助下,尝试创建红绿灯的原型,如图5所示。它是一个由三个LED组成的电路,每个支路分别并联180Ω电阻器。与之前的接线图不同,这张图显示了三个开关的存在,这样就能使每个LED独立打开和关闭。三个LED的颜色必须是红色、黄色和绿色。组装非常简单,最有趣的是,这些玩具可以在家里自己制作。LZ7ednc

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图5:交通灯电路图LZ7ednc

小结

重要的是,不仅要仔细阅读这篇文章,还要通过尝试不同的电子电路将这些概念付诸实践,即使犯错误也要敢于再次尝试。LZ7ednc

值得一提的使,尽管这些电子电路没有风险,但孩子们最好在成年人的帮助下进行实验。LZ7ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Electronics for Kids, Part 1: LEDs,Demi Xia编译。)LZ7ednc

责编:Demi
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