DIY制作中电路瑕疵的修复

在中职和高职院校中有一个热衷于电子制作的群体，他们对于电子报上介绍的制作项目有较高的关注度，经常从当前或历年的《电子报》上寻找制作电路。这里有2个同学查阅到2016年49期《电子报》上有一篇题目为《用LED和稳压管做成的简易电压表》的制作类文章，该文对于家中没有电压表、万用表时，用制作电路对电池电压进行测量具有一定参考意义。然而，原文推荐的电路、原理分析以及对测量结果的认定有待商榷之处，这里给以讨论，希望对感兴趣的朋友有所帮助。

一、原文图2的测量电路的原理分析与制作改进

1.原理分析

原文图2的测量电路使用3支稳压二极管和3只发光管LED等元件构成，为了分析方便，将其重新绘制为本文图1。原文描述说，这个电路中“如果LED1点燃，则待测电压为3V，因为此时稳压管ZD1导通了”。原文此说似有不妥。

原文这个电路中LED1点燃表明待测电压是多少伏呢？我们知道，发光管要能点燃，其两端应有正向压降，普通的用作指示灯的发光管，正向压降多为1.2V～1.8V，工作电流为5～20mA，当然，这种发光管流过1mA电流时也可能有发光指示，只是亮度较小；用作照明的发光管，其正向压降约为2.5～3.5V，工作电流可为几百毫安至安培级。显然这里使用的发光管应属前者，例如正向压降1.5V的红色或绿色发光管。如此我们可以知道，LED1点燃时的待测电压应为ZD1的反向击穿电压为3V，加上LED1的正向压降1.5V，还有流过LED1的电流（例如5mA）在电阻Rs上的压降为0.5V，一共是5V，也就是说，LED1点亮的起始电压是5V，而不是原文介绍的3V。当被测电压等于或大于5V，但尚不能使LED2点亮时，在一个电压范围时，将只有LED1点亮，所以，LED1点亮指示的是一个电压范围。

同样道理，LED2点燃时的起始电压应是7V，而不是原文介绍的5V。由于ZD2与LED2的临界导通电压是5V+1.5V=6.5V，此时LED2尚不能发光，随着电压继续升高，流过LED2的电流达到适当值时LED2才可能发光，这个电压值应为7V左右。所以，LED1点亮时的待测电压是一个范围，即5～6.9V。在这个电压范围内，只有LED1是点亮的。LED1和LED2同时点燃时的待测电压范围是7～10.9V。同理可以推测，LED3也能点亮时的待测电压不低于11V。

我们知道，电压表的内阻应该越大越好，为了减小电压测量对被测电源或电路的影响，测量时电压表从被测电路吸收的电流应该是微安级的，而该电路有可能从被测电路吸收较大的电流，因此，原文图2电路尚有改进的空间。

2.原文图2电路的制作

原文图2电路虽有不足，但如果仅用于测量电源或电池的电压（电源内阻较小），且要求不是很严格的话，可以找一个外壳绝缘的塑料盒子制作一下。将几只稳压管放在盒内，将盒子正面开3个孔，用于安装3只发光管LED1～LED3，在每只发光管的旁边标注上可测量的电压范围，如本文图2所示。图2中部安放3只发光管LED，发光管下部标注的是该发光管点亮时的对应的电压范围；下部是2个连接被测电压的接线柱。使用时须注意正负极。

图1中被测电压与点亮的发光管的对应关系见表1。

表1 图1中被测电压与点亮的发光管的对应关系

二、关于原文图3的测量电路

1.原文图3电路的分析

原文图3介绍了一款使用三极管放大电路构成的电压测量电路。现重新绘制为本文图3。原文说，“此电路若待测电压略大于3V，则稳压管ZD1就会导通，使Q1的基极电压升高，导致Q1导通，则红色LED灯珠点燃；若待测电压略大于5V，则ZD1与ZD2都导通，Q1与Q2的基极电压升高，导致Q1、Q2同时导通，则红色LED、绿色LED同时点燃；若待测电压略大于9V，则ZD1、ZD2与ZD3同时导通，Q1、Q2与Q3的基极电压升高，导致Q1、Q2、Q3三只晶体管同时导通，则红色LED、绿色LED蓝色LED全都同时点燃了”。

这段描述与对原文图2的描述具有类似的瑕疵。原文对图2描述时忽略了LED自身的正向压降，而这里的描述忽略了晶体管发射结导通所需的0.7V电压，以及基极电阻R1（或R3、R5)上的电压降，因此，所说的三种颜色LED的发光阈值均少了0.8V，而且各种颜色发光管指示的电压是一个电压范围，不是一个确切的电压值。

2.改进与制作

图3中被测电压与点亮的发光管的对应关系见表2。

表2  图3中被测电压与点亮的发光管的对应关系

（1）重新选择电阻R7、R8、R9的阻值

测量电压时，若要使发光管点亮，最好应使相应的三极管处于饱和导通状态，这时流过发光管的电流由12V的电源电压B1（见图3）和相应的1k电阻（例如R7)决定，那么发光管电流I_LED=(12V-U_LED-U_CE1）/R7=（12-1.5-0.1）/1k=10.4mA。对于点亮仅用作指示功能的发光管来说，电流偏大。可将电阻R7、R8、R9更换为2.2k，则发光管的点亮电流可减小到4.73mA，更趋合理，也有利于用较小的基极电流使三极管进入饱和状态。

（2）删除电阻R2、R4、R6

R2、R4和R6是偏置电阻，在放大电路中起到稳定工作点的作用，而在本电路中，三极管在饱和与截止两种开关状态切换，无须使用这3只电阻。这样，在图3这个简易制作中就会带来一定方便。

（3）重新选择偏置电阻R1、R3、R5的阻值

由于待测电压达到3.8V时红发光管就应发光，如果三极管Q1的放大倍数β等于100，根据R7调整阻值后，三极管Ic=4.73mA的条件，应选择电阻R1的阻值，使三极管Q1的基极电流I_B≥Ic/β=4.73mA/100=47.3μA。则R1=(3.8V-U_ZD1-U_BE1)/I_B=0.1V/47.3μA≈2k。原文原图提供的R1阻值是1k，应为合理。而R3和R5的取值原则与R1相同，因此，我们制作电路时将这三个电阻统一取值为1k。改进后的电路见图4。

三、关于原文图4的测量电路

原文图4据称“是一种较好的简易电压表”，现绘制为本文图5。原文分析说，“因为几乎所有硅二极管的正向稳压值，都约等于0.7V。另外，硅晶体三极管的基极——发射极也是大于0.7V才能导通，所以待测输入电压为1.4V时Q1就就能导通，LED1即点燃”。

关于这一段描述与分析，重新解读如下。“硅二极管的正向稳压值”之说欠妥，硅二极管有正向压降，不能称稳压值，当流过二极管的电流甚小时，它处于其正向特性曲线的起始阶段，正向压降可在0.5V左右。而原文图4（见本文图5）电路中的二极管恰好应用在极小电流状态。例如，当LED1用5mA的电流点亮，三极管Q1的放大倍数或称β=100时，则要求Q1的基极电流为I_B1=I_C1/β₁=5mA/100=50μA，这样小的基极电流在D1上的电压降约为0.53V。而50μA基极电流在Q1的基极电阻R5上的压降为50μA×10k=0.5V。因此，LED1正常点亮时的待测电压起始值应为U_D1+U_R5+U_BE1=0.53V+0.5V+0.7V=1.73V；而LED2的应为U_D1+U_D2+U_R6+U_BE2=0.53V+0.53V+0.5V+0.7V=2.26V。不是原文分析的1.4V和2.1V。当待测电压≥1.73V而又＜2.26V时，只有LED1正常点燃；当待测电压≥2.26V而又＜（2.26V+0.53V）时，LED1和LED2同时点亮。也就是说，待测电压达到1.73V后，LED1开始点亮，之后待测电压每增加0.53V左右，就会新增加一只发光管点亮。

以上分析所称二极管在微安级电流时的正向压降为0.53V是经过验证的。图6左上角是试验电路的实物图，右下角是试验电路图。用闲置的手机充电器取得5.13V电压，R1～R4串联后的总阻值为5.8k，实测二极管D1和D2两端压降均为0.53V，4只电阻上的总压降为4.07V，电流为4.07V/5.8k=70.2μA。分析可知，当电流减小到50μA时，D1和D2两端压降应更小。

具体制作图5电路时，应将R1～R4的阻值由1k调整为1.8k～2k为宜。