1.2 实战操练：设计发光二极管电源指示电路
图1-22所示为一种LED电源指示灯实物的示意图和电路图。LED是发光二极管的英文缩写。发光二极管指示器可以用来指示电源、电路的工作状态和各种信号的大小等。电路中，VD1就是发光二极管，R1是一种电阻器元件，S1是电源开关，+V是这个电路的直流工作电压。
图1-22 LED电源指示灯的实物图和电路图
发光二极管是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当发光二极管内部有一定电流通过时，它就会发光，不同发光二极管能发出不同颜色的光，常见的有红色、黄色发光二极管等。
用发光二极管作为电源指示灯具有工作电流小（省电）、指示醒目、体积小和指示颜色可变等优点。
1.2.1 快速了解：发光二极管
快速学习发光二极管的基础知识点，包括认识发光二极管，掌握发光二极管电路图形符号和发光二极管一些重要特性。
1 发光二极管的外形特征
图1-23所示为一只红色发光二极管实物示意图，关于发光二极管外形特征主要说明以下几点。
图1-23 红色发光二极管实物示意图
（1）单色发光二极管的外壳颜色表示了它的发光颜色。发光二极管的外壳是透明的。
（2）单色发光二极管只有两根引脚，这两根引脚有正负极之分。多色的发光二极管有3根引脚。
（3）发光二极管的外形很有特色，所以可以方便地被识别出。
（4）一只新的发光二极管，它的两根引脚一长一短，长的是正极，短的是负极。发光二极管与电池一样，其两根引脚有正负之分，使用时切不可弄错。
课堂测试1.7
选择题：
（1）导通后发光的元器件是（ ）。
A. 二极管
B. 开关
C. 电池
D. 发光二极管
（2）一只新的发光二极管，它的两根引脚具有的特点为（ ）。
A. 一样长短
B. 长的是正极，短的是负极
C. 长短不能区别正负极
D. 长的是负极，短的是正极
答案与解析1.7
（1）D。二极管、开关和电池导通均不具有发光的功能。
（2）B。新的发光二极管两根引脚一长一短就是用来区分它的正负引脚的。
2 发光二极管的电路图形符号
重要提示
发光二极管是二极管大家庭中的一种，与普通二极管明显不同之处是，它导通后能发光，而普通二极管导通后不能发光。在了解普通二极管后就能轻松掌握发光二极管的特性。
图1-24所示为普通二极管的电路图形符号识图信息示意图。电路图形符号用VD表示二极管（过去用D表示）。二极管只有两根引脚，电路图形符号中表示出了这两根引脚的正负极性，三角形底边这端为正极，另一端为负极。
图1-24 普通二极管的电路图形符号识图信息示意图
电路图形符号形象地表示了二极管工作电流流动的方向，流过二极管的电流只能从其正极流向负极。电路图形符号中三角形的指向是电流流动的方向，分析电路时就是根据这个三角形的方向来判断电流流过二极管方向的。
图1-25所示为发光二极管的电路图形符号，它在普通二极管符号基础上，用箭头形象地表示了这种二极管在导通后能够发光。导通后的电流方向也是图形符号中三角形的方向，这一点与普通二极管一样。发光二极管电路图形符号有多种，图1-25（a）所示为最新规定的发光二极管的电路图形符号，图1-25（b）所示为旧的发光二极管的电路图形符号，还有国外的、有厂标的发光二极管的电路图形符号等。
图1-25 发光二极管的电路图形符号
3 发光二极管的特性
1-13：快速认识电阻类元器件
学习和掌握发光二极管等电子元器件的特性，对电路分析是很有帮助的。各种元器件都有各自的特性，且有的元器件特性还比较多。
发光二极管也有它自己的特性，这里先介绍两点。
（1）导通后能发光。发光二极管的各类指示电路都是利用它的这个特性，给发光二极管导通电流，让它发光指示；给发光二极管导通不同类型的电流，会有不同形式的发光指示；电源指示电路中给发光二极管导通一个大小不变的直流电流，就能发出亮度不变的光。
（2）导通后存在管压降。发光二极管导通后，在它的正负极之间存在一个直流电压，这称为发光二极管导通后的管压降，这一管压降基本不变。这一特性是设计发光二极管各类指示电路的一个重要参数，不同发光颜色的发光二极管其管压降不同，即使相同颜色的发光二极管不同型号，管压降也有所差别。设计电路时，发光二极管的管压降参数可以通过查找相关的手册来获得。
课堂测试1.8
判断题：
（1）流过发光二极管的电流只能从它的正极流向负极，流过它的电流达到一定程度时它就能发光。（ ）
（2）从发光二极管电路图形符号上不能看出它的电流流动方向。（ ）
（3）普通二极管与发光二极管在电路图形符号上是没有区别的。（ ）
（4）发光二极管导通后，它的正极与负极之间电压为0V。（ ）
答案与解析1.8
1-14：电阻器种类
（1）√。
（2）×。能看出电流流动方向，电流流动方向就是电路图形符号中三角形的方向。
（3）×。有区别，带箭头的是发光二极管，没有箭头时是普通二极管。
（4）×。有一个管压降，不同发光颜色的发光二极管的管压降是不同的。
1-15：电阻器电路图形符号中识图信息
1.2.2 轻松学习：电阻器
图1-26所示为一种电阻器的实物示意图和电路图形符号。电子电路中，电阻器件的使用量最多。电阻器的基本功能是为电路提供一个电阻值，以便电路获得一个所需要的电流值。
图1-26 电阻器的实物示意图和电路图形符号
1 电阻器的电路图形符号识图信息解读
图1-27所示为电阻器的电路图形符号标注细节示意图。
图1-27 电阻器的电路图形符号标注细节示意图
1-16：电阻器主要参数讲解
2 电阻的单位
电阻的单位是欧姆，用Ω表示。除欧姆外，还有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们之间的换算关系如下：1kΩ=1000Ω；1MΩ=1000kΩ。
知识回顾：直流电流
水的定向流动称为水流，电流也一样，电荷有规律的定向流动称为电流。电流只能在导体中流动，如电线、电路板上的铜箔电路、电子元器件的金属引脚等。
电流有大小和方向之分，还有直流电流和交流电流之分。
电流大小和方向不随时间变化而变化的电流称为直流电流。在电路分析中，常用电流的波形来说明问题，直流电流可用坐标来表示。如图1-28所示，横轴表示时间（t轴），纵轴（I轴）表示了电流I的方向和大小。0表示时间、电流大小为零，从图1-28中可以看出，当时间变化时，电流I1的大小和方向均不变，所以这是一个直流电流。
图1-28 直流电流示意图
1-17：直流电流知识点
在分析直流电路工作原理的过程中，时常会用到两个直流电流相对大小的概念。电流用I表示，单位为安培，简称安（A）。电流的单位除安外，还有千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA）。在电子电路中主要用A.mA和μA来表示，它们之间的换算关系如下：1kA=1000A；1A=1000mA；1mA=1000μA。
课堂测试1.9
1-18：欧姆定律
选择题：
（1）电路图中的电阻器电路图形符号不会表示出（ ）。
A. 有几根引脚
B. 电路图中的编号信息
C. 阻值大小
D. 材料信息
（2）某电阻器阻值为22kΩ，它等于（ ）。
A. 2200Ω
B. 0.22MΩ
C. 22000Ω
D. 2.2MΩ
答案与解析1.9
（1）D。电路图中的电阻器电路图形符号能够表示它有两根引脚，电路图中的编号（如R1中的1就是编号信息）和阻值大小。
（2）C。Ω、kΩ和MΩ之间是1000倍的关系。
3 电压、电流和电阻三者关系
电压、电流和电阻三者之间关系可以用部分电路欧姆定律来说明。所谓部分电路就是指不含电源的电路。部分电路欧姆定律可以用图1-29所示的电路为例来说明。在电路图中，R为电阻，U是电阻两端的电压，I是流过电阻的电流。
电路分析中重点是信号电压或电流，信号的电压或电流大小往往是通过电阻的大小进行判断的，所以要熟练运用电阻的相关基础知识。电阻、电压、电流三者之间的关系如下：
U=IR
图1-29 部分电路欧姆定律的电路示意图
式中，U为电压，V；I为电流，A；R为电阻，Ω。
在理解电路工作原理过程中，使用最多的概念是电阻的大小。
（1）当已知电压U时。已知电流I可以分析或计算出电阻R；已知电阻R大小时可以分析计算出电流I的大小。
当电压大小不变时，电阻大电流小，电阻小电流大。同时，要求电流增大时可减小电阻，要求电流减小时可增大电阻，由此可知，调节电阻大小可以得到所需要的电流，这是电路设计中常用的手段。
（2）当已知电阻R时。已知电流I可以分析或计算出电阻两端的电压U；同样，已知电阻两端电压U时，可以分析或计算出流过电阻的电流I。
当电阻大小不变时，电压大电流大，电压小电流小。同时，要求电流增大时可增大电压，要求电流减小时可减小电压，由此可知，调节电压大小可以得到所需要的电流。
（3）当已知电流I时。已知电压U可以分析或计算出电阻R；同样，已知电阻R时，可以分析或计算出电阻两端的电压U。
当电流大小不变时，电压大电阻大，电压小电阻小。同时，要求电压增大时可增大电阻，要求电压减小时可减小电阻。例如，在发光二极管电源指示电路中，要求流过发光二极管的电流大小是不变的，这时直流工作电压大小改变时要求有相应的限流电阻阻值大小的改变。
课堂测试1.10
判断题：
（1）直流电流的大小和方向不随时间变化而变化。（ ）
（2）1A电流等于100mA电流。（ ）
（3）电阻器的阻值确定，流过它的电流增大时，它两端电压减小。（ ）
（4）电阻、电压和电流三者之间没有关系。（ ）
答案与解析1.10
（1）√。
（2）×。1A等于1000mA。
（3）×。电阻器两端的电压增大，因为电阻两端的电压等于阻值与电流之积。
（4）×。电阻、电压和电流三者之间有关系，它们之间的关系是U=IR。
1.2.3 深入掌握：电路设计思路
电路设计并非完全创新，更多的是一种现有电路资源的有机整合和单元电路的局部创新或变化，所以电路设计并非高不可攀，深不可及。
电路设计与电路识图完全不同，电路设计是依据自己的电子技术知识水平，进行思维输出的过程，识图则是知识输入的过程，两种思维方式不同。
1 电路设计的基本思路
电路设计有两种基本思路。
（1）自主创新思路。凭借自己雄厚的电路设计能力，紧扣电路功能的主题，自主创新设计所需的功能电路。
（2）借鉴和移植思路。借鉴同功能电路的成功经验，运用移植和修改技术加以改良，以供我用，实现电路所需的功能。
发光二极管电源指示电路是一个应用十分广泛的电路，又是典型的应用电路，所以设计这一电路时可以采用借鉴和移植的设计方法。图1-30所示为发光二极管电源指示电路。电路设计的具体任务是确定电路中各个元器件的参数，主要是电阻R1的阻值。
图1-30 发光二极管电源指示电路
2 设计要求及思路
发光二极管电源指示电路中，已知条件是直流电压为+3V，采用发光二极管，要求省电。因为这一电路指示的是3V电池供电的电路，电池供电电路一个重要的指标就是静态耗电小，所以需要采用省电电路。
电路设计中所要确定的元器件及主要参数如下。
（1）发光二极管指示电路功耗最小。相比传统的小电珠指示灯电路，发光二极管指示电路节电明显。
（2）电源指示采用红光比较醒目。一般情况下，电源指示采用红色发光二极管，红色比较醒目。常见三种颜色的发光二极管的管压降不相同，通过查找发光二极管的有关手册，得知具体压降参考值如下：
红色发光二极管的管压降为2.0～2.2V；黄色发光二极管的管压降为1.8～2.0V；绿色发光二极管的管压降为3.0～3.2V。
课堂测试1.11
判断题：
（1）现代电子电器大量采用发光二极管作为各类指示器的原因是它电源消耗小、指示醒目等优点。（ ）
（2）采用电池供电的电路要求电源消耗小。（ ）
（3）不同发光颜色的发光二极管其管压降相同。（ ）
（4）红色外壳的发光二极管不一定发出红色的光。（ ）
答案与解析1.11
（1）√。
（2）√。
（3）×。不同发光颜色的发光二极管的管压降是不同的，黄色发光二极管的管压降最小。
（4）×。单色发光二极管中，发光颜色与它的外壳颜色相同。
1.2.4 定性分析：发光二极管电源指示电路
定性分析可以降低定量分析难度。
电路工作原理分析是学习电子技术过程中一个重要的内容，通过大量实用电路分析的实践，循序渐进地掌握电路分析的思路和具体方法，以提高电路分析的综合能力。
1 定性分析在先
所谓定性分析是一种思维加工过程，对电子电路的工作原理进行分析，进而能去伪存真、去粗取精、由此及彼、由表及里，以认识电路的本质，揭示电路的内在规律。定性分析是定量分析的基本前提，没有定性的定量是一种盲目的、毫无价值的定量。
在设计发光二极管电源指示电路时，首先通过定性分析掌握它的工作原理，然后才能为具体的电路设计（各个元器件参数确定）提供保证，了解这些参数对整个电路工作的影响。
2 定量分析在后
所谓定量分析就是对研究对象的数量特征、数量关系与数量变化的分析。对于发光二极管电源指示电路而言，就是关系到一些量的计算。在有了前面的定性分析后，定量分析可以减少许多干扰成分，使分析过程更简单。
3 发光二极管电源指示电路分析
图1-31所示为发光二极管电源指示电路，可以用于各类现代电子电器中作为电源或其他信号的指示电路。
图1-31 发光二极管电源指示电路
电路中的VD1是发光二极管。当它发光时，表示电路中已有了直流工作电压+V；当VD1不发光时，表示电路中没有加上直流电压+V，这样通过VD1的亮与不亮来直观表示电压是否加到电路中，这就是电源指示的目的。S1是电源开关，R1是VD1的限流保护电阻。电路中的+V是直流工作电压。
（1）开关S1断开时分析。开关S1断开时，由于+V不能加到VD1上，所以没有电流流过VD1，VD1不能发光，这表明电路中没有直流电压+V，此时指示电源为断开状态。
（2）开关S1接通时分析。直流电压+V经S1和R1加到VD1的正极上，VD1的负极直接接地，这样给VD1加正向偏置电压，有电流流过VD1，所以VD1发光指示，如图1-32所示，表明电路中有正常的直流电压+V。
图1-32 电流流过VD1示意图
课堂测试1.12
判断题：
（1）发光二极管电源指示电路中，只有当电源开关接通时指示灯才发光。（ ）
（2）流过发光二极管电源指示电路的电流不是直流电流。（ ）
（3）电源开关接通后，发光二极管电源指示灯不亮与直流电源无关。（ ）
（4）发光二极管电源指示电路中，电源开关控制指示灯是否发光指示。（ ）
答案与解析1.12
（1）√。
（2）×。流过发光二极管电源指示电路的电流是直流电流，因为它是由直流电源直接供电的。
（3）×。电源开关接通后，发光二极管电源指示灯不亮与直流电源是有关的，当直流电源没有接好，或直流电源的电压太低时指示灯均不亮。
（4）√。
知识扩展：串联电路中电流处处相等
这里以电阻串联电路为例，讲解串联电路中的一个重要特性，即串联电路中电流处处相等。图1-33所示为两只电阻串联电路，电阻R1和R2头尾相连，这样的电路称为串联电路。
图1-33 两只电阻串联电路
图1-34所示为串联电路中电流示意图，流过电阻R1的电流是I1，流过电阻R2的电流是I2，串联电路中总的电流是I。根据节点电流定律可知，流过各个串联电阻的电流相等，并且等于串联电路中的总电流，即I=I1=I2。
图1-34 串联电路中电流示意图
如果电路中有三只或更多的电阻器相串联，流过各个电阻器的电流都是相等的，并且等于串联电路中的总电流。
无论是电阻串联电路还是其他元器件串联电路，都具有串联电路中电流处处相等这一特性。
4 电源指示电路中限流保护电阻分析
如图1-35所示，R1是限流保护电阻，它的作用是限定流过VD1电流的大小，不让电流太大而损坏发光二极管，所以R1是电路中十分重要的元件。
图1-35 R1是限流保护电阻
电路中R1是VD1的限流保护电阻，以防止由于直流工作电压+V太大而损坏VD1。在实际电路中，电压+V往往是确定的，它如果直接加到发光二极管VD1两端很可能就使流过VD1的电流太大而烧坏VD1，为此要增加一只电阻R1来限制流过VD1的电流，保证在电压+V一定的情况下流过VD1的电流大小合适。
重要提示
直流电压+V变大或变小时，流过VD1的电流大小也会发生相应的变化。
当+V变大时，流过VD1的电流增大，所以VD1发出的光更强；当+V变小时，流过VD1的电流减小，所以VD1发出的光比较弱。
这一电源指示电路不仅能够指示是否有电源电压，还能指示电源电压的大小。对于采用电池供电的机器这一指示功能更实用，当VD1发光强度不足时说明电池的电压已经不足。
课堂测试1.13
选择题：
（1）串联电路中（ ）。
A. 电流处处不相等
B. 电压处处相等
C. 电流处处相等
D. 电流和电压处处相等
（2）LED电源指示电路中限流保护电阻器（ ）。
A. 阻值小，LED发光暗
B. 阻值大，LED发光亮
C. 阻值大小对LED发光无影响
D. 阻值大，LED发光暗
答案与解析1.13
（1）C。串联电路没有支路，所以电流处处相等。串联电路中每点的电压与电阻大小相关，电压不会处处相等。
（2）D。阻值大小对LED发光亮度有影响，在工作电压一定时，电阻小流过的电流大，反之则小。
1.2.5 电路设计：计算和确定发光二极管电源指示电路中的元器件参数
通过讲解一个实用的电路设计，了解电路设计的思路和全过程，以建立电子电路设计的初步印象，为日后的学习和工作打下基础。
1 电源指示电路中限流保护电阻的设计
设计电源指示电路的关键是确定限流保护电阻的阻值大小。图1-36所示为设计的电源指示电路中各个元器件电压与电流关系示意图，本书中电源指示电路的电压为3V。
图1-36 设计的电源指示电路中各个元器件电压与电流关系示意图
（1）确定限流电阻的电压降。从电路中可以看出，选用红色发光二极管，查有关手册可知红色发光二极管导通后的管压降为2.0～2.2V，这里取2V，而供电电压是3V，这样要求电阻R1的压降是3V-2V=1V。
（2）确定红色发光二极管工作电流。发光二极管作为指示电路时的工作电流是几毫安，电流小发光亮度低，反之亮度高。由于这里采用电池，考虑到尽可能节省电源，初步考虑采用1mA工作电流。初步设计后通过装配电路来验证指示效果，如果1mA电流亮度不够，可以增大工作电流。
（3）计算限流电阻器阻值。根据公式R=U/I计算阻值，已知U=1V，I=1mA，R=1kΩ。所以，电路中的限流保护电阻R1取1kΩ。注意，当U单位用V，I用单位mA时，R的单位是kΩ。
（4）标称阻值系列中选取合适电阻。通过理论计算出来的电阻值并不一定能在成品电阻器中找到这一阻值的电阻器，还要通过标称阻值系列去选取，表1-1所示为电阻器标称阻值E6、E12、E24系列。
表1-1 电阻器标称阻值E6、E12、E24系列
从表中可以看出，1kΩ电阻器正好在三个系列中均有，只是E6系列的误差比较大（±20%），成本低，考虑到这一电源指示电路并非精密指示电路，所以从成本角度出发，首选E6系列中的1kΩ电阻器。
知识扩展：电阻的标称阻值
电阻的标称阻值分为E6、E12、E24、E48、E96、E192这6个系列，分别适用于允许偏差为±20%、±10%、±5%、±2%、±1%和±0.5%的电阻器。其中，E24系列为常用系列，E48、E96、E192系列为高精密电阻系列。
（5）确定电阻器功率参数。在限流电阻器阻值确定后，要选择它的功率。由于这是一个小电流电路，限流电阻所承受的功率不大，所以从节约成本角度考虑采用1/8W通用电阻器，同时选用碳膜电阻器，因为它的价格低，也能满足电路的使用要求。
2 确定所有元器件参数
（1）红色发光二极管1只。选用圆柱形、直径为2mm的发光二极管。因为选用圆柱形发光二极管是为了安装方便，在机壳上打个孔便能安装，如果选用方形发光二极管，开装配孔比较烦琐。
（2）2节1.5V电池和电池盒1只。它们作为电子电路的电源。
（3）限流保护电阻1只。选取碳膜电阻器，1/8W，1kΩ。
（4）万用板1块。万用板作为装配各电子元器件载体，是一种通用型的电路板。
（5）电源开关1只。作为整机电路的电源开关，用于控制发光二极管的点亮与熄灭。
课堂测试1.14
判断题：
（1）设计电源指示电路中的限流电阻器阻值时用公式R=U/I，U的单位为V，I的单位为A，R的单位为Ω。（ ）
（2）设计电源指示电路中的限流电阻器阻值，就是为了确定流过发光二极管的电流。（ ）
（3）装配发光二极管电源指示电路需要电池、发光二极管、开关和电路板。（ ）
（4）发光二极管在导通后，它的管压降随着流过它的电流大小而明显变化。（ ）
答案与解析1.14
（1）√。
（2）√。
（3）×。装配发光二极管电源指示电路需要电池、发光二极管、开关、电路板和限流保护电阻器。
（4）×。发光二极管导通后的管压降基本不变。