按钮开关失灵原因探究

一、按钮开关失灵原因探究

1．按钮开关突然失灵——偶然还是必然？

这是笔者在制作数字定时提醒器过程中遇到的一个问题。

基本电路如图32-11。这是一个改变CMOS数字集成电路输入端电位的转换开关电路，用按钮开关控制该端电压的高低，用数字化语言来说就是分别输入“0”和“1”。当整机装配完毕，正常工作之后，在使用过程中出现了一种十分奇怪的现象，就是按钮开关突然失灵。通常在开关处于长开状态，按下后转换成长闭状态，将电路功能按照设计发生变化。失灵后，即使没有按下开关，电路仍然莫名其妙处于转换状态。这是为什么呢？

图32-11

2．猜想、观察与判断

首先的措施是用电压表测量一下A点电压。正常情况下当按钮开关未按动时，A点应该为0；结果发现电压不正常，为高电压，接近电源电压（3V）。按钮开关不起作用。检查线路板一切正常。猜想故障出在按钮开关上。于是将开关拆下测量，果然出现短路。换上一个新开关，电路正常工作。然而反复按动数十次后，故障又出现了。看来只好从开关内部找原因了。

将损坏的按钮开关的塑料外壳解剖，用放大镜仔细观察，发现在开关的两个电极之间的绝缘塑料壁上隐约有一些金属膜，正是这些金属膜导致了电极之间发生短路。下面要解决的问题是，金属膜是怎样产生的？如何避免这种现象？

经分析电路，初步判断金属膜是因为电路设计不周全造成的。电路在未按下开关，A点为低电位；按下开关，A接电源正极，变成高电位；为了避免开关抖动产生的误动作，在A点接入了一个0.047μF的电容C。从电路分析，正是这个电容C，导致了金属膜的产生。因为这个电容的存在，每次按动开关，电源向它充电。电容的性质就是加在电容器上的电压不能突变；也就是在那一瞬间，电容相当于短路接地，导致有一个较大的电流通过按钮开关；这个充电电流对于微型按钮开关来说是相当大的（估计其数量级在数百mA），会在电极之间打出电火花；用的次数多了，这些电火花就会在电极之间形成金属膜，导致电极短路现象的发生。如果这种判断是正确的，那么可以在电路中串联一个限流电阻来解决这一问题。于是用一个1k电阻如图32-12接入，经过长期使用，一切正常。

图32-12

3．偶然事故的解决在电路设计中的应用

①首先是对于某些微型开关，用于有电容的电路中时，应考虑到瞬间电流的问题，采取相应的措施保证电路的长期运行。

②对于常见的电池供电的开关电路的改进。传统的电源开关的电路如图——。按照上面的分析，这种电路在开启的瞬间，电池会瞬间通过开关向电路的去藕电容放电。因为这个去藕电容通常比较大，一般都在100μF以上，所以每次开启电路，都会产生一个短路电流，其大小视电源内阻而定，其数量级可达几安培。虽然电路设计时，已经考虑到这个电流对开关的影响，使用了可承受此电流冲击的开关，所以一般不会影响电路的正常工作。但是，对于电池来说，是一个不小的损失，会导致电池过度放电而影响电池使用时间。为此笔者该将电源开关电路做了改动，将去藕电容直接并联在电池上。这样，在每次开启电路时，电池和开关就避免了一次大电流的冲击。这种电路虽然有些离经叛道，但经过长期使用，未发现有任何问题。

4．实验点评

这是一例典型的抓住偶然性进行探究，得出新电路的实验过程。对于电子制作过程中的一切偶然现象，特别是那些违背常识的现象，千万不要怀疑事实，认为自己的实验不正确。要大胆怀疑，抓住偶然性不放，找出其中的必然规律。以下问题是每个爱好者必然要遇到的：

你在电子实验中遇到过哪些偶然现象？你对发生的偶然现象进行研究了吗？你最后对这个偶然现象有合理的解释吗？你从中得到了什么收获？

当然，有些现象不是通过几次实验就可以解释的。也许需要很长时间，也许要请教专家才能解决。但是，对疑难问题进行探究的精神是不可缺少的。

二、光敏电阻振荡电路实验

1．光控照明电路的一对矛盾——光敏电阻与光

典型的光控照明电路的原理是，当光线变暗时，光敏电阻改变，控制电路动作，启动照明灯光。但是照明灯光打开后，环境光线变亮，就会使光敏电阻作反向变化，控制电路将照明灯光关闭。如此电路会循环不已，产生振荡。事情果真如此吗？

2．光敏电阻振荡电路实验

①实验电路及猜想

为了回答上面的问题，特设计了如下的电路进行实验，见图32-21

图32-21

按照理论分析，这个电路应该按照以下过程工作：通过光敏电阻控制门电路的输出状态；当环境光线变暗时，光敏电阻阻值较大，控制门电路输出高电位，驱动一发光二极管发光；将这个发光二极管放在靠近光敏电阻1厘米左右，这样发光管变亮，光线可照射到光敏电阻上，导致它电阻变小，控制门电路输出低电位，发光二极管熄灭。如此周而复始，电路会产生脉冲振荡。

②实验现象

按图中的电路接好，发现二极管恒亮。

③实验现象分析

表面上看，电路没有产生振荡。看来，假设不成立。

但是，如果振荡的频率高于30Hz，发光二极管虽然受到脉冲电压的驱动，但是人的眼睛是无法分辨的。所以，从灯光恒亮的现象，还不能得出电路没有振荡的结论。

④电压表测量

用电压表测量驱动发光二极管的非门输出端电压，电压值为电源电压的一半。这表明，电路可能存在振荡现象。但这只是间接的证据。

⑤收音机监听

用一个中波收音机放在电路旁边，随着电路的开启，收音机就发出强烈的噪音。这证明电路的确产生了振荡。

⑥分频器观察

那么振荡的频率范围是多少？可用频率计测量。如果没有频率计，能否用收音机测量呢？因为收音机可接收到脉冲振荡的谐波信号，所以无法用收音机测定振荡频率。可采用4040分频器进行目测。4040最高的分频系数是2的12次方，用一只4040的最高分频估计振荡频率在数十千赫兹。用2个4040分频器，就可以将结果变成1秒钟左右闪动一次的脉冲，这样，在没有频率计的条件下，也可比较精确地测量出振荡频率。实验表明，本电路光敏电阻振荡器的频率在100kHz左右。

3．新型振荡电路的诞生

从这种振荡器的原理分析，在发光二极管上接一个电容器，可延迟灯光的产生，从而改变振荡器的频率；通过实验可证明，这是可行的。

看来，利用光敏电阻、非门、发光二极管也可组成一个振荡电路。至于这种振荡电路工作稳定性如何、振荡频率如何调整还需进一步探究。这种新电路有什么实用价值呢？

4．判断创新发明的滞后原则

创新发明既然是一种以前没有的技术或产品，对它的价值判断不易过于苛刻。通常的一个原则是不急于下否定的结论，让时间和实践去检验新设计的价值。

三、压电陶瓷片谐振实验

1．失声的报警器

一种在洗衣机上使用的声音提醒器使用了压电陶瓷片发声，在各种操作过程中可发出响亮的鸣叫声。一个企业家仿照上面的压电陶瓷片和它的共鸣盒，生产了一批带共鸣箱的压电陶瓷片；放在电路中，取代原来的压电陶瓷片，但是却发现了意想不到结果：生产的压电陶瓷片竟然变哑了，发出的声音十分微弱。这是为什么呢？企业家将这个问题交给了我。

2．实验调查

①为了找到问题的原因，首先将原来洗衣机上的压电陶瓷片及共鸣箱拆除，换上自制的一套，发现声音变哑了。

②在原电路中，将自制的共鸣箱取代原配的，结果声音变哑了。

这是为什么呢？自制的共鸣箱是按照原配的参数仿制的。调查陷入了困境。

3．偶然发现解开谜团

在一次设计和研制自动音量电话振铃时，采用了带共鸣箱的压电陶瓷片做发声器。为了获得较大的音量，除了提高电源电压外，还进行了调整报警声音信号频率的实验。结果发现，当频率调整到某一频率时，压电陶瓷片可发出比其他频率高出数倍的音量。原因何在？经过分析，判断这是由于发声频率与共鸣箱固有谐振频率相同所致。也就是说，当带共鸣箱的压电陶瓷片，工作在其固有的谐振频率上，就会发出最大的音量。

这一偶然发现解开了报警器为什么变哑的问题。初步判定是因为仿制的与原配的固有谐振频率不同，导致与电路的发声频率不谐振，所以音量变得很小。至于固有谐振频率产生误差的原因，可能是因为共鸣箱的内部厚度为1mm的数量级，在这种情况下，仿制的与原配的参数即使出现千分之一的误差，就会导致共鸣箱的固有谐振频率与原配的不相同。

问题找出了，也就找到了解决办法。解决共鸣箱的精度比较困难，但是改变报警声音频率是比较容易做到的；于是将电路发声振荡频率重新调整，使之与仿制的压电陶瓷片谐振，问题得到圆满解决。

4．实验收获

一般说来，电声转换器的频率特性越平坦越好，尤其是音响设备的喇叭，如果采用在其固有谐振频率上发出的声音远远大于其他频率的声音，那么这个喇叭就不能真实地还原声音。但是对于频率特性曲线陡峭的微型电磁喇叭，正好可以利用这种性能做报警器；常见的BP机，手机等电器的发声器就是这样工作的。压电陶瓷片和微型电磁喇叭只有工作在其固有的谐振频率上，才能发出较大的音量。此外还得到了控制音量的一个新方法：调节工作频率改变音量大小。