适用场景
看到教程里写“硅二极管压降约为零点七伏”,很容易把它当成固定数值。本项目制作一块只使用三伏直流电源的比较板:左边是一颗二极管,右边是两颗二极管串联。完成后,用万用表测量各个节点,再通过电阻上的电压计算支路电流,把抽象概念变成能够记录和解释的数据。
本板只用于桌面低压直流实验,不连接市电、交流电源或未知电源,也不作为稳压器给其他设备供电。
原理
二极管具有方向性,正向导通时,两端仍存在电压差。这个正向压降与电流、温度及器件个体有关,并非恒定值。Vishay 的 1N4148 数据手册提供了正向电压与电流、温度的关系曲线,同时说明该型号玻璃管上的黑色色环标识阴极。
两条支路分别连接为:电源正极、第一只一千欧电阻、第一颗二极管阳极、该二极管阴极、电源负极;以及电源正极、第二只一千欧电阻、第二颗二极管阳极、第二颗阴极与第三颗阳极的连接点、第三颗阴极、电源负极。
两条支路各有独立的限流电阻。即使把二极管近似看成短路,每条支路的电流也不超过三毫安;不过,这不能限制电源输入焊盘直接短路时的电流,因此电源本身仍须设置限流。
准备工作
准备 KiCad 9、三颗来源明确的直插 1N4148、两只一千欧四分之一瓦电阻、两位电源接线端子、若干测试环,以及万用表。供电使用可调限流直流电源,设置三伏、电流上限十毫安。没有合适的限流电源时,先完成设计,不进行通电实验。
准备烙铁支架、护目镜和通风条件。全部接线、换件和焊接必须在断电状态下进行。万用表红表笔插电压电阻插孔,黑表笔插公共端插孔,避免误插电流插孔后横跨电源。
分步骤操作
第一步:画出两条独立支路
新建项目,进入原理图编辑器(Schematic Editor),放置电阻、二极管、连接器和测试点符号。为电源正极、单颗二极管阳极、串联支路顶部、两颗串联二极管中点、地分别添加测试点,依次标为电源、单管、双管、中点、地。
单管测试点位于第一只电阻与第一颗二极管之间;双管测试点位于第二只电阻与第二颗二极管之间。中点只连接第二颗阴极与第三颗阳极,不能接地。核对二极管符号中的横线一侧确实朝向该器件阴极。
运行电气规则检查(Electrical Rules Checker)。外部电源连接器通常不会自动被识别为电源输出,若出现电源未驱动提示,在确认实际供电网络后添加电源标志符号。不要直接忽略所有检查结果。
第二步:选择封装并安排测量空间
电阻选择适合实物尺寸的直插封装,二极管选择对应 DO-35 外形的轴向封装。实际测量引脚间距,再核对封装预览,不能只凭名称决定。
进入电路板编辑器(PCB Editor),执行从原理图更新电路板(Update PCB from Schematic)。将两条支路分开放置,测试环之间留出足够的表笔操作空间。电源端子靠板边,丝印明确标出三伏正极和地;每颗二极管旁标注阴极方向。
第三步:布线并检查制造文件
在板框层(Edge.Cuts)画闭合板框,再按连接关系布线。规则尺寸应满足所选制造商的能力,不需要为了这块小板刻意使用细线或窄间距。
运行设计规则检查(Design Rules Checker),处理未连接、间距和板框错误。通过后导出制造文件,并在查看器中检查铜层、钻孔和丝印。完整工作流程可参考 KiCad 官方入门文档。
第四步:断电装配后限流上电
先焊电阻,再焊二极管、端子和测试环。对照实物色环与丝印逐颗检查。断电测量电源正负端,确认不存在明显短路,并检查相邻焊点是否连锡。
电源输出保持关闭,设置三伏与十毫安限流,接好正负线后再开启输出。如果电源进入恒流状态、板上电压明显不足或器件发热,立即关闭输出,恢复到断电检查阶段。
验证方法
万用表选择直流电压挡,黑表笔固定接地,依次记录电源、单管、双管和中点电压。正常方向下,单管节点表现为一颗二极管的正向压降,双管节点表现为两颗压降之和,中点表现为靠近地的那颗压降。
用实测电源电压减去单管节点电压,再除以一千欧,得到单管支路电流;双管支路同理计算。两条支路电流不同,因此双管电压不必严格等于单管电压的两倍。记录器件型号、供电电压和读数,比追求某个固定小数更有意义。
常见错误
节点接近电源电压,可能是二极管反装、虚焊或支路断路;节点接近零伏,可能是测试点短路或器件被旁路。两种情况都应先断电,再检查连接,不能仅凭一个读数判定器件损坏。
不要用通电电路上的二极管挡读数代替直流压降测量,也不要用电流挡直接跨接两个测试点。
安全与回退
任何调整都先关闭电源输出并断开供电线。返修时避免长时间加热玻璃管引脚,待焊点冷却后再检查。出现异常时,将两条支路分开核对,先恢复一条正确支路,再处理另一条。保留原理图和修改前文件,修改连接后重新执行规则检查,确保设计文件与实物一致。
参考资料与转载说明
本文依据上述公开资料进行中文原创整理,不是逐句翻译,也不替代厂商手册。操作前请核对自己的版本、型号和备份。
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