兒童電子學(I):LED

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb特約作者

在漫長的暑假中,本刊將介紹一系列專為孩子們所寫的基礎電子課程,期望以簡單有趣的方式教他們基礎知識,並激發他們的興趣...

電子是當今的熱門話題,許多孩子們也期望瞭解並掌握這個重要技術的基本原理。在漫長的暑假中,本刊將介紹一系列專為孩子們所寫的基礎電子課程,期望以簡單有趣的方式教他們基礎知識,並激發他們的興趣。

電子電路是可編程的

相較於往昔的電子電路,如今的電子電路增加了可編程性。例如,一個複雜的系統現在由自動機制、指示器和感測器組成,只需一個小型微控制器(MCU)即可創建,這在過去動輒需要數千個電子元件組成的大型電路才能實現。

因此,新世代孩子們的邏輯能力非常接近於自動系統的行為。

目前的學校為學生提供了許多學習新方法的時間,例如他們非常早就接觸到數位,為學習編碼打下了基礎。此外還有SAM Labs (1),這是一種獨一無二的編碼資源,用於設計、構建和調整程式的實作課程工具套件,包括尖端編碼軟體、簡單的藍牙連接硬體等。它易於使用也很容易理解,對於那些對電子產品、工程學及技術等方面感興趣的孩子而言是一個非常實用的啟蒙工具,讓學生能夠提前對技術產生興趣,並促使他們提出與技術運作相關的問題。

SAM Labs laboratory.

1:創新而有趣的SAM Labs

學生可以使用SAM Studio基於模組的拖放編碼來開發行動、點亮以及與環境互動的複雜系統。由於SAM模組透過藍牙進行連接,就可以讓新的專案移動、點亮以及與環境互動。該方法使學生能夠快速輕鬆地創建和學習,從早期引入概念,並提供編碼和原型解決方案。

學生可以使用編碼和原型解決方案快速輕鬆地創建和學習。甚至孩子們不會意識到自己正在學習科學原理。例如,Maker專業課程讓K-8 (幼稚園到國中)教師能夠支持孩子進行基於活動的學習、探索和原型製作。

該公司提供了幾種工具套件,每一種都有特定的用途,專門用於一定程度的知識基礎和難度。例如,兒童可以使用並編程互動式積木來執行某些任務,這些與樂高(Lego)積木相容的小型可編程積木,可以透過藍牙連接到使用者的裝置、電腦或平板電腦。帶有微型 USB 連接器的充電電池可為每個模組供電。這些模組由橡膠外殼保護,並且具有極強的抗衝擊性。此外,這些模組是無線的,不需要觸控或用電線連接,不使用的模組會被關閉,以便可持續大約一週的課程。

兒童電子學

很多孩子從六、七歲開始就對電子產品產生了興趣,他們先是被閃爍的燈光、旋轉的馬達和發聲裝置所吸引,在玩了幾分鐘最喜歡的玩具後,他們就進入下一個有趣的階段,即拆解,想看看裡面有什麼。

這篇和後續的兒童電子系列文章將涵蓋非常基本的電子技術主題,而且完全安全。

只需遵循理論或使用真實的電子元件創建實際連接,就可以很容易地理解電路,而且所有使用到的元件都是現成的,此外孩子們也可以向大人尋求幫助。小而簡單的實驗可以在有趣和安全的操作中點燃激情。開始執行電子組裝將需要工具和元件( 2)。以下是最重要的列表:

  • 一些電子元件——電阻器、發光二極體(LED)、燈泡、電容器、開關等,將在每次單獨實驗時有著不同的作用
  • 單芯電纜,並配有鱷魚夾,以便於連接
  • 5V扁平電池
  • 簡單的萬用表

Electronic components

2:第一次實驗所需的物品。

電路

為了理解電子學的一些基本元素,有必要探討電路基礎的最基本理論。事實上,電流是一種電子流,它以無限渦流的形式從發電機的其中一極流向另一極。電路是發電機、電導體和負載之間的實體連接。為了確保電子迴圈通過,一些基本條件不可或缺:

  • 發電機必須產生足夠數量的電子。
  • 負載必須正常工作且不會中斷。
  • 電線必須是良好的電流導體,通常由金屬(銅或鋁)製成。

為了更有效地理解電路的概念,可以將其與液壓系統進行比較,如3所示。事實上,將電流和水流進行比較,可以使控制這兩個元素的概念和定律理解起來更簡單——二者非常相似。

similarity between electricity and water.

3:電流和水流的相似之處。

在圖中可以看到:

  • 電壓產生器,使電路中的電子運動
  • 耗電元件(燈、LED、馬達)
  • 限制電子通過的電阻器
  • 電纜

如果這些元件中有任何一個斷開,則不再有電子通過,電路開路。

點亮一個LED

LED是一種透過讓特定數量的電子流過,進而產生光子(光)的元件。電流不是隨意設定的,所有參數必須使用基本的數學程式確定。下面的實驗是完全安全的,並解釋一些基本的電子概念:

  • 電壓的正確極性
  • 限制電流
  • 電路的連續性

因此需要以下材料:

  • 5V 扁平電池
  • 一個 180Ω 電阻器
  • 一個紅色 LED燈
  • 三根帶鱷魚夾的連接電纜

如上圖所示,建立了以下連接:

  • 在電池正極和電阻(無極性)一端之間連接紅色電纜。
  • 在電阻的另一端和 LED 的陽極(可透過發光體底部的圓形部份辨識)之間連接橙色電纜。
  • 在 LED 的陰極(可透過發光體底部的扁平部份辨識)和電池的負極之間連接黑色電纜。

如果連接正確完成,LED 會立即以正常亮度亮起。如果電池或 LED 的方向接反,則不會亮起。此時若拆下電阻並將兩根鬆開的電線連接在一起,則會導致大量電子無限制地流向 LED,從而燒壞LED。

如何點亮兩個 LED

下一步是點亮兩個或多個 LED 的步驟。事實上,這是一個非常簡單的操作,但要正確執行它,必須遵守幾條規則。

這個方案會與點亮一個LED的方案有所不同,在下面的案例中,讓我們來探索點亮兩個LED的正確方法。

不考慮使用兩個電池、兩個電阻和兩個LED的簡單解決方案的話,以下是可行的替代方案:

  • 將LED 並聯
  • 將LED串聯

這兩種方法決定了電流在電路中的傳播方式,就像水網一樣(參見4中的兩種解決方案)。讓我們試著瞭解這兩種方法是如何工作的。

 two LED diodes are connected in parallel and in series.

4 LED並聯和LED串聯。

這兩種電路都可以點亮兩個LED,但方式不同,讓我們看看怎麼做。

在左邊的電路中(並聯),電流隨機地流過兩條不同的路徑:

  • 一部份電流流過第一條路徑,為電阻器R1和LED D1供電。
  • 另一部份電流流過第二條路徑,為電阻器R2和LED D2供電。

在經過LED之後,兩部份電流會再次彙聚到相同的路徑上,返回到電池並重複該過程。

在右側的電路中(串聯),從電池中流出的電子流依次通過電阻器R3、LED D3和LED D4。在這兩個例子中,LED都能正常亮起,所不同的是電路的類型。

值得注意的是,在第一個示例中,電阻器R1和R2的值為180Ω,而在第二個示例中,電阻器R3的值僅為47Ω。

這就讓我們瞭解到,電阻值越低,通過電路的電子流就越高。

現在必須瞭解的是電路中電子迴路的重要性。具體來說:

  • 如果電路中的所有元件都正確連接,則能正常運作且是一種「封閉電路」。
  • 如果電路中至少有一個元件斷開或有缺陷,則無法正常運作且存在「開路」。

按照慣例,電子從正極到負極的方向移動,任何元件中斷都會中斷這個過程,實際上,這個過程非常快,它們以大約 300,000km/s的速度前進。大地(或地)的符號表示在這個電氣分支上,有一個0V的電壓。在並聯電路中,兩個分支是完全獨立的。如果我們斷開一個電阻器(例如R1)或一個二極體(例如D1),甚至將其倒置來反轉其極性,另一個分支將繼續運作而不會出現問題。然而,在串聯電路中,情況並非如此。兩個 LED 依賴於相同的電流,因此移除電阻 R3 或兩個 LED (D3 或 D4)之一即可中斷電路的運行。通常,照亮聖誕樹的燈是串聯的,一個燈泡燒壞就足以使整個電路無法使用。

練習、練習、再練習

在家長或老師等成人的幫助下,讓孩子們嘗試創建紅綠燈的原型,如5所示。它是一個由三個LED組成的電路,每個支路分別並聯180Ω電阻器。與之前的接線圖不同,這張圖顯示了三個開關的存在,這樣就能使每個LED獨立打開和關閉。三個LED的顏色必須是紅色、黃色和綠色。組裝非常簡單,最有趣的是,這些玩具可以在家裡自己製作。

traffic light wiring diagram and wiring.

5:交通燈號電路圖。

小結

重要的是,不僅要仔細閱讀這篇文章,還要經由嘗試不同的電子電路將這些概念付諸實踐,即使犯錯誤也要敢於再次嘗試。

值得一提的是,儘管這些電子電路沒有風險,但孩子們最好在成年人的幫助下進行實驗。

編譯:Demi Xia

(參考原文:Electronics for Kids, Part 1: LEDs,by Giovanni Di Maria)

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