小花絮 第一次实验
2005-05-29：点亮 LED 数码管
叔叔给的元器件今天终于到了，晚上老爸下班回家拿了一大纸箱，打开来瞧了下，一片混乱。这一回倒是见到真正的电阻器了，原来是像子弹链一样整整齐齐的排成一列，引脚尖端用不干胶带粘住。这样的“弹链”有好多，看色环都不大一样，大概是不同阻值的每种一条链吧。
随手取了一条“弹链”，看了下电阻的色环，是“棕黑黑红棕”，这应该是
除去电阻器之外，其它的元器件我认得出的不多。二极管也找见了，和电阻一样粘成弹链的样子，不干胶纸上写着 1N4148，还真是这个型号啊？还有一些外形稍粗大的二极管，散乱地装在小塑料袋中,黑色管壳上印着 1N4001，这个 C# 没有提过，不知道是干什么用的管子。
LED 可是真不少，有一大包红红绿绿的，绿的偏多，想必是装混在一起了，也不知道干嘛要买这么多，难道高手买这东西都批发吗？箱子底下还真有一些 8 字数码管，都是个子比较大的那种，正面是灰色的，看反面的引脚很短，似乎还带着焊锡，这是不是曾经用过了？不知道里面的字点亮后是什么颜色。我还找到了 LED 点阵管，横竖都是 8 个 LED，老叔这些家当还挺全的。
剩下的东西中有一些开关，单排的和双排的插针（排针）和插座（排母），集成电路插座，D 型连接头等等，这些就是所谓的“接插件”了，上个月有所了解。还有一些可能是“集成电路”了，装在一些塑料管子里，和我在电脑主板上看见的一些黑方块有点相像，确切的说，就颜色和表面印字有点像，外形差异很大。我还找到了一个电池盒，能装 4 节 5 号电池，这个刚好用得着。
第一次自己做一个电路实验，有点无所适从，还是该先画一个电路图吧。我在草稿纸上画了一个简单的图，第 1 个问题就是要算一下 R 应该是多大。330 欧可能是不行，因为用
或许可以把 R 缩小 8 倍，减到 41.25 欧，标称值是 47 欧啦，这样可以有约
把大盒子里的电阻挨着个拎出来找，最后找到了一串 180 欧的，就这个吧，稍微大了点。这个电阻怎么接在数码管上？用烙铁焊上？烙铁倒是玩过，把焊锡化成圆球，闻了闻松香的味，这要把俩元件的脚焊在一起？有点手潮。这烙铁那么热，不会把元件烫坏了吧？干脆把电阻的引线在数码管的脚上绕两圈算了，能接触上不就行了？
下一个问题是怎样把那 8 段 LED 的阴极接一起，没有导线啊？没办法只好又取了一个电阻，把两条引线齐根断下来当导线用。有点短了，无法连接全部 8 个引脚，只好连接了 4 段 LED，只用 4 段也能看见效果了。
电池只有两节用过的，只好又从电视遥控器中取了两节电池凑数，这两节也快没电了，将就一下吧。这电源虽然不是
对这样的结果我还是有点心理准备的，但是真出了这结果还是不免有些挠头。这个数码管是共阳还是共阴的？我那个图是按共阳画的，这个数码管如果是共阴的呢？要不就换个接电的方向试试吧，把黑线搭在公共端的限流电阻上，红线搭在 4 个管脚上，居然还是一段都不亮。
糟糕，这个数码管不会被我弄坏了吧？LED 反向击穿电压很低，我可是用了
叔：“喂？谁啊？”
我：“是我，你大侄子。你给我的数码管是共阴还是共阳的？”
叔：“我给你那堆东西里有数码管？”
我：“有啊，我想实验一把，看一个限流电阻到底啥效果。”
叔：“开始实验啦？够快的啊！不是共阴就是共阳的。”
我：“到底是共啥的啊？”
叔：“什么颜色的数码管？”
我：“我哪知道什么颜色？还没亮起来呢。”
叔：“我是问管壳表面是什么颜色，有 8 字那个面，是灰白还是黑？”
我：“我用的是灰白的。”
叔：“那可能是共阴。那是拆机件吧？”
我：“引脚上有锡，好像是用过。”
叔：“那就难说是好坏了。你两个方向都接电试试不行吗？”
我：“我两个方向都接过电，全不亮啊？会不会管子烧了？”
叔：“也那么容易就烧啊？你焊好了么？”
我：“我没焊，就是用电阻的引线在数码管的脚上绕了下。”
叔：“那恐怕按触不良。你还真能凑合！”
我：“不会接触不良吧？线绕得挺紧的，我都拿尖嘴钳子夹过一遍呢？”
叔：“你用什么电源试的啊？”
我：“电池啊。你给我那个电池盒我用上了。”
叔：“那个电池盒可有年头了，买了就没用过。”
我：“不知道电池盒有没有问题 那里边的弹簧挺紧的。不过电池都是快没电的。”
叔：“你拿那万用表量一下电池盒的电压？”
我：“你上回给我那块表？那玩意儿怎么使啊？”
叔：“你拿出来，我告诉你怎么用。”
我：“拿来了，怎么弄？先按开关？”
叔：“对，先按那个 ON/OFF 钮，左上角那个长圆的钮。”
本教程中只使用数字式万用表，不用指针式的。有些型号的万用表可能把电源开关标成 “POWER” 而不是“ON/OFF”。有些表的电源开关和中间的圆形旋钮开关结合在一起。 “AUTO POWER OFF”表示这个表在长时间不测量时会自动关闭电源，这可以节约表内的 9V 积层电池。万用表型号繁多， 我们只能介绍一种典型的，使用其它型号的万用表还需参考配套说明书。
我：“行了，有字出来了。那个小圆钮按呢？”
叔：“那个 HOLD 钮要弹起来，不能按下去。中间那个大圆的旋钮，往右边转，让它指向右边的那个 20。”
我：“右边有俩 20，上边的还是下边的？”
叔：“上边那个，那个区域不是标了一个字母 ‘V’ 又加了两道横线吗？”
我：“对，上面一道实线下面一道虚线？像个等号。”
叔：“那表示测直流电压明白不？20 表示能测出的最高电压是 20V，再高就测不出了。”
我：“那下边那个字母‘V’加一道波浪线表示测交流电压吧？”
叔：“你还知道交流电呢？不简单啊！把红表笔接电池盒的红线，黑笔接黑线。”
我：“表笔？就是插在下边孔里的那两条线？你等我免提啊。”
我按下电话的免提键，放下电话听筒，然后按叔叔所说将红笔接在电池盒的红线上捏住，又把黑笔按在黑线上。
叔：“成了吗？显示的数字是多少？”
我：“显示是 4 个 0。变了，是-0.001，又变 4 个 0 了。”
如果电池盒与数码管不连接，单独测量电池盒的两根引出线，那么测量结果通常是“0.00x”这样的值。上图中电池盒与数码管是连通的，可见表上显示了 0.045V，我曾经在阳光明媚的阳台上做这样的测量，表上显示了 1.221V。这个电压不是由电池给出的，还记得 PN 结暴露在光照下会怎么样吗？
叔：“哎呀没电啊！电池盒有问题根本没电！你查查吧。”
我：“不会吧？我装的电池没觉得很松啊？这电池盒上有个开关？”
叔：“咳！我想起来了，这个电池盒带开关的。那开关你没开吗？”
我：“我不知道这开关干嘛使的，没管它。我现在开了。”
叔：“你再量一下，看看有电没？”
我：“有了。5.311V，不到 6V。”
叔：“谁让你用旧电池来着，旧电池内阻大，别和新的混着用。”
我：“找不着 4 节新的，还是从电视遥控器里卸俩凑的呢。那数码管如果接电接反了会坏吗？”
叔：“不致于坏。不是有个限流电阻吗？你接电阻了吧？”
我：“接了一个 180 欧的。LED 反向击穿电压很低啊？”
叔：“没事，坏不了。”
我小心地把电池盒的红线搭在限流电阻上，黑线搭在另外 4 个管脚上，奇迹出现了，数码管上亮起了 3 个笔画和小数点，红颜色的。
我：“亮啦亮啦，是共阴的不是共阳。4 段全亮了。”
叔：“你接了 4 段啊？也够了，能说明问题了。就为一开关费了我这么多口舌。”
我：“哈哈，我这不是着急嘛，要知道是那开关的问题就不用麻烦您了。呵呵呵。”
叔：“行了，回头跟 C# 说一声，他说的那什么并联都不靠谱。”
我：“行。您上回说用一个限流电阻亮度不均是怎么回事？”
叔：“你仔细想想，显示数字 1 的话亮几段？只亮右侧两段吧？显示 8 呢？7 段全亮。一个限流电阻能供出的总电流是不会自己增大的吧？”
我：“好像是吧？那又怎么样啊？”
叔：“你可真行！假设经过电阻供出的电流是 10mA，亮两段，每段电流是 5mA，亮 7 段呢？每段电流就只有 1 个 mA 多点了。”
我：“您是说显示数字 1 时字比较亮，等显示数字8 时整个字就比 1 暗了是吗？”
叔：“就是这样啊！反应太慢了！还重点中学的呢！”
注意人的眼睛分辨能力有限，你不一定真能看出 8 字 比 1 字暗淡。
我：“重点中学也不教这个啊？我这不刚开始学吗？要求不能太高吧？”
叔：“行了，我还有事呢，你和 C# 探讨这个吧。好吧？”
我：“好吧，您忙吧，我再琢磨一下这玩意儿。有点意思。”
数码管当然是没啥可再琢磨的了，这个万用表倒是让我觉得很有意思。这块表的液晶屏上可以显示 4 个数字，看上去和 7 段 LED 数码管很相像。那个大圆旋钮的圆周被不同的颜色分成了几个区域，右侧标了“V=”的区域是测直流电压的，这个刚刚了解了，这样来看左侧标了 “A=” 的区域应该是测直流电流的。上方标了 “Ω” 的区域是测电阻，而标了“V~”和“A”的区域一定是测“交流电压”和“交流电流”了。
另外的几个区域就不知道是啥意思了，其中最下方一个区域标了一个大写字母“F”，不知是什么。左上角有一个档位标了“Hz”，紧挨着“Hz”的另一个档位画了个二极管的符号，这个档位是测量二极管的吗？右上角一个档位标了“hFE”，和那个二极管档一样是蓝色标识，这是巧合吗？长圆形的按钮开关之下有一个小圆钮，我按了一下，没有任何反应，再按一下，小圆钮弹了起来，看不出来是个啥作用。不过这个钮旁边写了一个“HOLD”，我查了一下字典，是“保持，维持”的意思，还是不明白要保持什么呢？
下方有一排 4 个插孔，我把两个表笔拔下来，插黑表笔的孔也是黑色的，上方标了一个“COM”，另外 3 个孔是红色，想必红表笔可以接在其中任一个孔上吧。不过每个红色孔上方的标识不一样，左边第一个标的 “10A”，第二个标的“mA”，最右边的则标了“VΩHz”。这样来看左边两个孔可用来测“电流”，最右边这个红孔用来测电压电阻和那个“Hz”的。
这是否意味着，当我把大旋钮开关拔到“A=”那个区域时，红表笔必须重新插到左边两个红孔之中呢？那么两个孔用哪个？“A=”区域一共 4 个档位，2m/20m/200m 三个档是测“mA”级电流的吧？选这三个档时红表笔应该插 “mA” 那个红孔吧？剩下一个档标了 10，这应该是 10A， 这时红表笔就应该插 “10A” 那个红孔了。看了下“A”区域，也是这 4 个档，我觉得我的推测应该是没问题的。
可问题是为何要分成两个表笔插孔？我看到“mA”红孔下标了“FUSED”，这是“保险丝”的意思，这孔里边带保险丝吗？为什么“10A”红孔却是“UNFUSED”的呢？怎么大电流的插孔反而没保险丝呢？
到目前为止只会测量直流电压，我试着把大圆旋钮拨到直流电压的 200 那个档位，然后重新测了下电池盒的电压，这回测出了 5.29，和刚才测的 5.311 有些区别，但是不大，而且这个数也会跳到 5.30，但 5.29 出现的多。
再次把大旋钮拨到 2 那个档， 重新测试电池盒的电压，这回测出了一个 1， 怎么会是 1V 呢？这个档位标了 2，按叔叔的说法这一档最高测到 2V，高于 2V 就测不出了，那也不应该显示 1V 吧？我仔细看了下屏幕的显示，突然发现这个屏可以显示 5 个数字的，这个 1 出现在屏幕最左侧，不是刚才看到的 4 个数字中最左边的一个。
这玩意还真有点意思啊？看来测电阻也是可以照猫画虎的。标了 “Ω” 的那个区域一共有 7 个档位， 从 200 开始到 200M。如果我想测一下那个 180 欧的电阻，拨到 200 那个位置应该可以，这个档应该可以测到 200 欧的。 我将大旋钮拨到 200 那一档， 然后找出一个 180 欧的电阻， 用两个表笔分别接在电阻的两根引线上，哈哈，屏幕上显示出 179.1。
如果要测那个 51K 的电阻，大旋钮应该拨到 200K 那个档位，小于 200K 的档位应该测不了 51K 的电阻。我找出一个 51K 的电阻，用刚才的 200 那一档测了一下，屏幕上仍然显示一个 1。搞笑，怎么会测出 1 欧姆呢？试了下 2K 和 20K 两档，都只测出一个数字 1，最后用 200K 档，这下测出了 51.2K，这才对嘛。
还有一个画了二极管的档位，我觉得这也可以试试。于是我取了一个 1N4148，把大旋钮拨到二极管档，突然间这个万用发出了“嘀——嘀——”的叫声，怎么回事？我一时懵了，赶紧按下 POWER 开关，叫声停止了。这表有毛病了？让我弄坏了？不会吧？我小心地按了下 POWER 开关，这次表很安静，没有发出奇怪的叫声。我重新拨到 200 欧电阻档测了下 180 欧的电阻，仍然显示 179.2 欧，用 200K 档测 51K 电阻，正常，用 20V 直流电压档测电池盒的电压，仍然正常。我稍微松了口气，看来这表没坏。
重新拨到二极管档，这回表没有嘀嘀叫。我注意到在二极管符号的旁边还有一个“((•”符号，难道这个档还能唱歌吗？不管它，把 1N4148 的两个引线分别接在红黑表笔上，屏幕上只显示了一个孤单单的“1”。这是什么意思？换一个“发光二极管”试试吧，我取了一个红色的 LED，把两根引线接在表笔上，这个 LED 居然发出的微弱的亮光，强啊？！又取了一个绿色的 LED，这回它没有亮起来，而表的屏幕上仍是显示了一个 “1”，看来不是表坏了，是这个 LED 坏了。重新取了一个红色的 LED 测了下，又点亮了，不会只是红的能亮绿的不能亮吧？再测了下另一个绿色的，果然不亮。看来只有红色的 LED 能亮了。
时间过得很快，不知不觉已过了 11 点，还有一些习题册没有做呢，反正也来不及了，干脆等明天再说吧。我打开电脑连上网络，C# 没有在 MSN 上，想搜一下怎么使用万用表，刚打开 GOOGLE 老妈就出现在房门口，我赶忙关了显示器，然后脱了衣服躺到床上睡去。待老妈走后，我重新开了显示器，光溜溜地只穿个裤头坐在电脑前。
C# 竟然出现了，我忽然觉得我们应该各自弄个摄像头视频一下，他现在是否也光着呢？
我：“数码管的实验做了，公共端接 1 个限流电阻是可以的，不会只有一段亮。”
师：“这个事我想了一下，我想出一种解释。”
我：“事后诸葛亮啊？怎么个解释法？我洗耳恭听。”
师：“不用洗耳了。这个还得从‘内阻’说起。”
我：“怎么又是‘内阻’啊？没完没了的欧姆？”
师：“电子穿过电源会受到阻碍，那么电子穿过二极管会不会受到阻碍？”
我：“二极管是个 PN 结啊？你不是说 PN 结有个什么‘动态电阻’吗？”
师：“我指得是制造 PN 结的那些材料，你说有没有电阻率？”
我：“应该有，任何材料都有电阻率，没有那是超导，就不是半导了。”
师：“所以一个真实的二极管应该是这个样子的。（figure0118）”
我：“一个‘理想 PN 结’加一个电阻？这个电阻是二极管的‘内阻’？”
师：“就是材料具有的真实电阻了。所以 8 个 LED并联每一段其实是带了一个‘限流电阻’的。”
我：“那还要外接限流电阻干吗？”
师：“这个 ‘内阻’ 不够大啊，它没法把电流限制到合适的范围内，何况它还是个热源。”
我：“这么说 LED 点亮后也会发热？”
师：“有一点点热，肯定不会像灯泡啦。”
我：“做数码管的也够呛，把 8 个限流电阻一起放到数码管壳里不好吗？干嘛让外接呢？”
师：“好像是有一些数码管内部集成了限流电阻的，但是我没用过。”
我：“我有一些关于万用表的问题，能不能说说？”
师：“你都开始研究万用表啦？什么问题？”
我：“万用表为什么会 ‘嘀——嘀——’ 的叫啊？”
师：“万用表有一档用来测量电路通断的，你调到这档把两个表笔碰在一起就会响。”
我：“是我把两个表笔碰一起了啊？我还以为给弄坏了呢。”
师：“这个档经常和二极管档放在一个档位。一般来说两个表笔之间的电阻小于 70 欧姆都会响。”
注意不同的万用表这个参数可能有区别，不一定都是 70 欧姆。
我：“对啊，我看见二极管档那个位置还画了个声波的符号，我以为这一档会唱歌呢。”
师：“哪有唱歌啊，这个‘蜂鸣’档很有用，检查电路是否接通或者短路很方便。不过不是所有的表都有这个档。”
DT830B 型万用表就没“蜂鸣”档，这个表的成本已经做到 10 块钱以下，当然你也别指望东西有多好了。
我：“还有一个问题，我用电阻 200 欧姆档测 51K 电阻，为什么测出 1 欧姆？”
师：“那不是 1 欧姆，那个 1 表示被测的电阻阻值超出了量程。这个 1 在屏幕最左侧对不？”
我：“没错，是在最左边。‘量程’就是那个档能测出的最大值对吗？”
师：“对，就是这个意思。你的表上很多档的量程都是 2XX 对吗？”
我：“还真是，几个电阻档都是 2XX 的。”
师：“所以它能显示出来的最大值是 199.99、1.9999、19.999 等等，小数点的位置随量程变化，但数字最大就是一个 1 四个 9。”
我：“这小数点我没注意，你等我看看。”
我取出万用表接下 ON/OFF 钮，然后把大旋钮拨到电阻区，从 200 到 2K 到 20K 这样一路拨过去，小数点的位置确实随着改变的。
我：“小数点的位置是变的。最左边的这个数字总是 1？”
师：“对啊，它没有必要比 1 大啊。所以它不是一个完整的 8 字， 我们管它叫 ‘半字’。你那块表除了这个 1 还有几位数字？是 4 个吗？”
我：“对，除了 1 还有 4 位数字。”
师：“所以你这块表是‘4 位半’的，稍微有那么点小档次。一般普及型的是‘3 位半’的。”
我：“3 位半？有啥区别吗？”
师：“精度不一样， 也就是小数点后面有多少位有效数字。”
我：“了解，位数越多肯定是越高级了。”
我：“还有怎么测二极管？我用二极管档测了个 1N4148，显示也是最左侧一个 1 啊？”
师：“红表笔接二极管阳极，黑表笔接阴极，可以测出二极管正向压降。”
我：“这个有极性啊？我说怎么这么奇怪呢。如果测 LED，LED 会发光是吗？”
师：“对，只要阴极阳极接对了就会发光，但不一定能测出正向压降。”
我：“我测俩红色 LED 亮了，测俩绿的都不亮，我以为只有测红的亮呢。”
师：“恰好那俩绿的极性没接对吧？是个巧合。不过巧合经常让人当成经验。就像有人梦见亲人故去，结果亲人真的故去了一样。”
我：“心灵感应？这个我倒有几分相信。我一个同学确实有一次真实的经历。”
师：“你这个想法不可取，与科学的精神不相容。从‘统计学’的角度来说，你同学做了 100 个梦，有 99 个都在现实中发生了，才能认为你同学‘可能’具有一些特殊的能力。”
我：“这怎么可能呢？100 个梦 99 个是真的？”
师：“你又觉得不可能了，你到底是相信还是不相信呢？这种超能力的事娱乐一下就可以了。”
我：“信则有不信则无。不过现实之中确实有很多事情是无法用科学来解释的。”
师：“无法解释就是无法解释，你不能因为科学无法解释就换个别的什么来解释啊？那你是否还继续从科学的角度去探索这个无法解释的事情呢？”
我：“那你认为宗教是垃圾了？或者是 ‘统治阶级麻痹人民思想的工具’？”
师：“我认为宗教是人类的一种精神慰籍，与科学完全不一样，是没有必要证真或证伪的。”
师：“我们扯太远了吧？还有什么问题？”
我：“木有了，你去忙吧。”
我忽然想起了一个问题，不过 C# 真的跑得非常之快，已经下线去了。不过我觉得这个问题我自己能明清楚，只要试试即可。我拿出万用表，按下 ON/OFF 键之后，屏幕上出现了一排跳动的数字，现在是 20V 直流电压档，表上最后一位小数不断地在 0 和 1 之间变化。我按下了 HOLD 键，表上的数字停止在“–0.001”上再也不动了。再按一下 HOLD 键让它弹起来，数字又开始不断地变化起来。
这个 HOLD，是“保持”的意思，看起来只要这个键按下去，表上的数字就会“保持”住不再变了。这样还能进行测量吗？我再次按下 HOLD 键，然后去测电池盒的输出电压，表上的数字仍然是“–0.002”不变化。我忽然感到自己有些可笑，我分明应该先弹起 HOLD 键再去测量，测出电压之后按下 HOLD，这个电压读数就会停留在表上，这是为了方便人观察啊。可惜我只有两只手， 各拿一支表笔测量电压，哪有第 3 只手去按 HOLD 键呢？
这表上最左边的“半”个字让我好生奇怪，为何只能显示数字 1？我感觉这表头虽是液晶的，但显示出的数字也是“7 段数码管”的形式，显示数字 1 的话，只需要最右边的两个段（对应数码管的 b/c 两段），这是不是能便宜一些？不过我感觉这个 1 的左边仍然可以显示三个横划的（对应数码管的 a/g/d 三段），这样就可以显示数字 3 了，这是否叫做“三分之二字”？不对，多加这 3 段没法显示数字 2 的，这个“半”字到底意味着啥呢？
我只能放狗去搜了，查了下“四位半 万用表”这个两个词，总算找出了答案。当最左边这个数字是 1 时，由于读数的上限只能是“2000”，所以把 2 做分母，1 做分子，称为“二分之一字”，或者“半字”。最左边这个数可以做成显示“1/2/3”的，这时读数的上限是“4000”，把 4 做分母 3 做分子，称“四分之三字”。最左边这个数还可以做成显示“1/2/3/4”的，这就有了“五分之四字”。看来这不是为了减少段数而设计的，还是为了获得所需的量程。
还有一个问题我也想通了，二极管正向电压降为何随着正向电流的增加而变大？我以前觉得二极管中带一个电阻，正向电流在此电阻上形成的电压降是会加大的，导致了二极管两端的电压随着加大。现在看来还真是如此啊，二极管并非是一个理想的 PN 结，它其实是一个理想的 PN 结和一个电阻串联的产物，就像真正的电源是一个理想电压源和一个内阻串联一样啊。
然而这样一来一个新问题又出现了：“理想 PN 结”的“伏安特性”又是什么样子呢？难道说理想 PN 结当它两端（从阳极到阴极）电压达到 0.7V 之后就彻底没有电阻了吗？就像一个开关接通那样？或者说，它的“伏安特性”可以画成图（figure0119）这样？我忽然又没把握了，要知道 “材料电阻 r” 应该是 “线性” 的，它的 “伏安特性”就是一根直线，现在如果理想 PN 结的伏安特性也是这种直直的线，它们俩放在一起怎么会出来一根圆弧状的曲线呢？这从直觉上就难以接受啊？看来还不能轻易认为二极管正向压降随电流上升完全是由材料电阻贡献的啊。就先想到这一步吧，谁让咱功底薄呢。