光感測LED燈

十二月 10, 2014
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簡單的光感測電路讓您的LED燈在黑暗的環境裡自動亮起。


材料:

  • 紅外線光電晶體 RadioShack #276-145
  • 2N3904 NPN電晶體 RadioShack #276-2016 包裝內含1個電晶體
  • NPN電晶體/15RadioShack #276-1617 包裝內含52N3904電晶體,還有另外10個其他專題可用的電晶體
  • 麵包板迷你組RadioShack #276-327
  • 紅色LED/大尺寸/超亮 RadioShack#276-086, 5000mcd, 2.4V, 20mA
  • 各尺寸LED RadioShack #276-1622
  • 電阻/500入/1/4W RadioShack #271-312
  • U MOLD塑膠黏土 RadioShack #277-161
  • U MOLD染色球 非必要,可以用來為你的塑膠黏土上色 RadioShack#277-184
  • CR2032電池 3入/3V225mAh RadioShack#23-2282
  • CR2032電池座 RadioShack#270-009
  • 2×AA附開關電池盒 RadioShack#270-408
  • AA電池 RadioShack#23-2212
  • 2×AA電池座 需要電池扣和接點RadioShack#270-382
  • 重型功率連接器 RadioShack#270-324
  • 電線 RadioShack#278-1224
  • 磁鐵 RadioShack#64-1895
工具:

  • 烙鐵RadioShack#64-053
  • 焊錫RadioShack#64-013
  • 熱熔槍、熱熔膠條
  • 電鑽、鑽頭 13/64″3/16″的大小剛好適用於標準的5mm二極管
  • 剝線/剪線鉗 RadioShack#64-224
  • 附放大鏡的輔具夾座 RadioShack#64-235
  • 杯子或小碗 玻璃或金屬製都可以,用來混和U MOLD塑膠黏土
  • 強力膠


光感測LED燈是經典入門款的自造電子裝置,這個專題是受多方的啟發而成,包括:來自邪惡瘋狂科學家(Evil Mad Scientist)Windell Oskayknitted electronics以及instructables上的用戶-abbtech,當然,此外還有許多其他資源啟發了我。我想特別謝謝Electronics ClubJohn Hewes,他的網站幫了我大忙,讓我對電晶體以及其他零件認識得更完整。如果你是個初學者,我推薦Charles Platt《電子零件的百科全書 第一冊》(暫譯),這本書裡介紹的許多電子零件,在這次的計畫以及其他周末自造專題中都會使用到,你可以藉由這本書一次搞懂。

簡單來說,在周圍環境暗到某種程度時,光感測LED電路就會自動點亮。我相信你看過許多庭園燈都有這種功能,但是,只需要這麼少少幾個零件就可以完成的,我猜你還沒見過。

這個專題我同時推薦給初學者以及老手,因為:

  • 這個超棒的專題只需要五種零件,其中應該包括好幾種你手邊就有的材料。也就是說,這是個有趣又簡單,用你手邊剩下的材料就可以完成的專題。
  • 麵包板上的電路可以反覆修改,讓你試驗不同的零件,也可以更了解不同材料間的搭配如何影響呈現出來的效果。
  • 如果你追求挑戰性,試著把各個零件焊在一起(下方步驟七到九)。因為所需零件不多,把這些材料用少少的幾個焊點焊在一起就相對困難了,這個專題裡只會有七個焊點。

電路圖

從圖中可見整個電路只包含五個部分:電池、光電晶體、電阻、LED以及電晶體。這個專題中列出來的部分都是由這幾個零件搭配變化出來,你可以基於功能或美感上的需求,任意選擇搭配的零件,但最基本的版本就是由上面這五種零件組成。

舉例來說,你可以用一個3V的錢幣型電池以及電池座,或是以2AA電池為一組來使用;你可以選擇定向型紅色LED,或是擴散型紅色LED;這些都取決於你希望把這組燈放在哪裡,或者是你希望這組燈是嵌入式還是隱匿式的。無論你選擇哪種形式,這組設計只能在特定的零件組合下運作,材料中的紅色LED燈不能任意的更換成藍色或白色的LED燈,因為這幾種顏色的LED燈有不同的正向電壓,當然,也有其他差異存在。花點時間看看這篇LEDsOhm’s law,馬上就可以變專家了。

小建議

不騙你們,在我做這組燈具的原型時,我使用了一個1/4W 5%的電晶體,我從我買的套裝組裡隨便拿一個出來使用,結果我發現它只有在面對某個方向時能用,好像它有向光性一樣。所以我建議大家,先在麵包板上試試你的電路原型,看各零件是不是可以正常使用,這個步驟只花你一點時間,卻可以省下許多麻煩。
電晶體
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由左到右,這個2N3904電晶體有三個接腳分別是射極(Emitter),基極(Base),集極(Collector)。

Picture

2N3904是一種常見的低功率NPN電晶體,使用在許多業餘的電子產品製造過程裡。電晶體不像一般的電子只有兩個接腳,通常分為陽極與陰極或電阻上的接腳,用來做為與其他材料之間的接點。這款電晶體上有三個接腳,NPN電晶體代表在兩個N-doped層之間夾的是P-doped的半導體,PNP電晶體則是剛好相反。在RadioShack上販賣的SKU 276-2016是以TO-92的封裝配置出貨,其中一面為圓弧,而另一面則是平面,上面有印刻資料。(參照上圖)右邊這個符號則代表電晶體,看起來很像光電晶體的符號,但電晶體的符號多了第三隻腳,以及把符號包圍起來的圈圈。我想提供一個可以幫助大家記憶NPN電晶體符號的方法:符號中箭頭的位置Not Pointing iN符號中箭頭也正好相反的PNP電晶體符號口訣則是Points iN Proudly

下圖為2N3904在麵包板上,接腳連接好的樣子:

在我用麵包板做原型時,我有個小技巧讓自己更正確地安置電晶體,也就是在腦子裡想像電晶體的符號,然後把眼前的影像跟腦子裡的符號重疊:

图片

我把電晶體平坦的那一面跟符號上的橫線放在一起,而圓弧狀的那一面跟符號的外圈重疊,正好可以清楚的看見箭頭的方向。用這個方法,我可以快速的放好每個接腳。我個人認為零件本身的設計跟符號相合應該只是湊巧,無論如何,這個視覺上的輔助,的確是個令人驚喜的意外發現。

正如同上面的示意圖,光子(也就是光的構成物)碰到了光電晶體時,電晶體以及LED燈都會瞬間熄滅。當光子數量減少或沒有光子碰到光電晶體時,電流就可以自由通過電晶體的集極與射極交接處,然後點亮LED燈。用你手上有的材料試試這個專題,並在下面的留言區與我們分享你想到的好點子吧!

步驟一:先看一下,它的確很亮

  • 圖中有兩個紅色LED,左邊的是3mm擴散型LED,右邊為5mm定向型LED,各自為1200燭光與5000燭光左右。
  • 白色的LED使用的是另外一種電路,它需要4.5V的電壓配合限流電阻使用,才能夠在不讓整個電路負荷太大的情況下點亮LED燈,其他部分我們在這裡就不多做解釋了。
  • 從圖中可以發現這幾個LED都夠亮,燈光足以照射到我的天花板,並製造出許多明顯的影子,從這組燈到天花板約有200公分的距離。
  • 註:大約五個月前我在我的工作室裝設了這組燈,是2xAA電池版本的,它會在四周光線微弱或黑暗的時候亮起,一天約10小時左右。直到今天,它還有足夠的電力運作!

步驟二:LED Throwie(1)

  • 我們可以先從一般的插入式電路板設計開始,我使用的圓形PCB是來自「組裝材料」列表中的五入組合,它是整個組合中第二小的那一個。所有零件都可以插在電路板上,大小也剛好符合CR2032電池座(參見步驟三的圖3),除此之外,不需要多餘的電線,電路板就可以跟電池座的連接器接在一起。(參見此步驟的圖3)。
  • 使用輔具夾座固定PCB,就可以插入並焊接各個零件。
  • 3是我設計的配置。焊接好所有零件後,我稍微修整了凸出來的部分,但要記得保留電阻的接腳(朝左),以及光電晶體的collector接腳(朝右)。

步驟三:LED Throwie (2)

  • 我把上個步驟裡提到的兩個接腳折進PCB上比較大的兩個洞裡,然後把PCB放到CR2032電池座上面。PCB上的接腳和電池座的連接器正好可以接合在一起,讓我可以慢慢的把它們焊起來。(如圖1
  • 接下來你可以修整任何突出來的接腳了(如圖2)。
  • 所有零件都焊接好以後,把一個CR2032電池放進電池座,然後你的光感測LED電路就完成了!

步驟四:LED Throwie (3)

  • 接下來我們可以玩點有趣的!我覺得做好的電路只能乖乖待在PCB上不夠好玩,我想把它包起來。於是我想到我手邊的U MOLD材料,這正是個試用它的好機會。
  • 1中是大約兩湯匙的U MOLD材料,接下來你會需要熱水,最好使用金屬或玻璃的容器裝它們,容器能有握把更好。
  • 用電熱水壺燒好熱水,然後把滾水倒進裝著這些小球的容器裡,等大約15秒,它們就會變成透明的了。
  • U MOLD是安全又操作容易的材料,但千萬不要誤食,過程中我用金屬杯當作操作的容器,為安全起見,現在這個杯子被我歸類為實驗專用了。

步驟五:LED Throwie (4)

  •  U MOLD材料變透明以後,就可以舀出容器。我用湯匙將它舀出來,原本是白色小球的U MOLD馬上縮在一起,變成一種看起來像玻璃的物質。舀出容器後的U MOLD裡有時候會有小氣泡,小心不要被小氣泡裡的熱水燙傷了。基本上,U MOLD是可以直接用手捏塑的安全材料。我在PCB上倒了一坨,然後用我的手指替它塑形。
  • 我留下光電晶體不覆上U MOLD(如圖2),這樣它白天才能充分的感光。當U MOLD乾掉以後,它會變硬,變成不透明的白色。
  • Throwie我用強力膠把磁鐵黏到電池座上,因為我住的大樓的走廊一到晚上就一片漆黑,所以我把這組光感測LED丟到走廊的散熱管上面(如圖3)。走廊白天有日光照射,所以光感測LED會自動熄滅,只要一入夜,它就會自動點亮,這真是太棒了!

步驟六:光感測電池組

  • 拿一小片其他專題剩下的PCB,把光感測電路焊到3V 2xAA電池組上面,從電池座下面還是可以換電池,我用U MOLD包住整個電路板,也包覆了電線走進電池格的連接處,所以可以稍微防雨。
  • 這是用兩顆AA電池作為電力來源的版本,它已經在我的工作室裡每晚點亮好幾個月了。

步驟七:光感測果醬蓋(1)

  • 我特別把我所有吃完的果醬罐留下來,以備這種不時之需!
  • 在果醬罐的蓋子上鑽個13/64″3/16″的洞,將光電晶體從下面穿過去,然後把它黏住。
  • 小提醒:雖然我們使用的紅外線光電晶體看起來很像LED燈,但其實它的接腳沒有極化,紅外線電晶體的其中一個接腳是collector,另一個是 emitter包裝背後的簡圖可以給你更多詳細資訊。

步驟八:光感測果醬蓋(2)

  • 按照示意圖,將除了電池以外的所有零件焊接在一起,這就是考驗你的點對點焊接技巧的最佳時機了。
  • 將一小段22AWG電線剪下並剝線,將它跟電池連接在一起,並將電線依照示意圖焊接上電池座與電路。
  • 輕鬆焊接小小連接點的小技巧:在剝線的時候,剝長一點點,用剝好的電線繞一個小圈圈,將它繞住你的焊接點(如圖23),焊接後稍做修整就可以了。

步驟九:光感測果醬蓋(3)

每個部份都焊接好以後,你的光感測果醬蓋就會在光線昏暗或陷入黑暗時亮起。你可以把果醬蓋燈跟玻璃盆栽搭配在一起,或者當作床頭燈、庭園燈使用。

步驟十:南瓜LED燈(1)

  • 我做了另一個鈕扣電池版本的蓋子LED燈,不過這次的蓋子是南瓜的頂部!我特別為光電晶體做了超長的接腳,才足夠穿過南瓜的頂部,然後用電線的硬度支撐蓋子下面的PCB
  • 小提醒:在安裝光電晶體和PCB電路到你的南瓜上面之前,要先替南瓜做好防腐措施,這裡有各種方法,可以讓你的南瓜保存更久。我偏好的是漂白水防腐法,先把南瓜泡泡漂白水,再安裝電路。你也可以用U MOLD包覆PCB來加強保護。當你不再需要南瓜燈時,只要小心地把電子零件拆下來然後清理乾淨就可以了。
  • 將光電晶體穿過的孔上下都用熱溶膠填滿,可以稍微防雨,也可以避免有水從洞流進南瓜。

步驟十一:南瓜LED燈(2)

  • 我在南瓜燈上刻了簡單的笑臉跟蝴蝶結,我把它放在我的門階上,現在只要一到傍晚,它就會自動點亮,直到日出才熄滅。
  • 製作南瓜燈最棒的地方就是你可以把它所有的南瓜子都取出來,然後好好烤一烤,就是超棒的小點心!
  • 小提醒:如果你不想花力氣幫南瓜防腐,你可以用塑膠南瓜來替代。

步驟十二:更多關於電晶體的事

你現在盯著的電腦螢幕上,就有成千上萬的電晶體,而它的發展歷史也相當有趣,如果想要了解更多,請看這個由Collin Cunningham所拍攝的經典影片。

結論

光感測LED燈是個簡單又有趣的電路組,它可以進行各種升級。
其中一個顯而易見就挑戰就是:要如何讓白色或藍色的LED也適用於此電路呢?這些顏色的LED比起紅色需要更高的正向電壓,也需要搭配不同的零件。
你也可以試著將這組電路連接到小型太陽能板或充電設備上,這樣一來,白天的時間裡,燈組會自動充電,提供晚間的照明。
或者,把光感測LED燈跟焦耳小偷( Joule Thief 結合在一起,免得在需要燈光時才發現電池已經沒電。
記得廣泛嘗試並從中得到樂趣,並在以下留言區跟我們分享你的想法、小技巧以及做出來的模型吧!

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NICK NORMAL
我是藝術家、自造者,更是一輩子的書蟲,對關於geekathon的一切都非常狂熱。我住在皇后區的長島市,對我來說她是世界上最棒的地方。我曾在Flux Factory當了五年的駐站藝術家、是在紐約舉辦的World Maler Faire的舉辦者之一,也是個悠遊網路世界的部落客。耶嘿!


(譯:孟令函
[原文]

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