LED 唯美樹葉形吊飾（上）

齊來製作 LED 樹葉形吊飾

你或認為設計電子製品，過程定必非常繁複，而且要求設計者擁有高技術和多年相關經驗。其實只要靈活運用一兩個基本概念，即使初學者，也可以造出創意又有趣的小玩意。今回筆者教大家製作   LED 樹葉形吊飾，所需材料十分簡單，無需使用電路板（稱為   Freeform Circuit）。成品外型美觀，明白當中的簡單竅門後，便可設計千變萬化的圖案，不知就裡的人還以為十分高深呢。然而，因過程涉及焊接小型零件，對焊接技術要求較高，如暫時有感力有不逮也沒關係，先弄懂原理，多試幾遍，終會成功。

本文先講解吊飾設計的背後原理，請先準備以下材料，下回一起製作。

所需材料與工具

主要材料及數量：

l   0.8 mm 黃銅線（註一），約   35 cm

l   0805 綠色   LED 貼片（註二），5 顆

l   0805 貼片電阻   330 Ohm（註二），5 支

l   3V 鋰錳鈕扣電池（型號：CR2032），1 顆

註一：銅線顏色可自行選購，可查詢供應商。注意切勿使用漆皮線作材料，因其表面不能導電。

註二：0805 是貼片的封裝，尺寸為   2.0 mm x 1.25 mm x 0.8 mm。

＊如認為焊接貼片過於困難，可用普通直插零件代替。

輔助工具：

l   剪鉗

l   鑷子

l   雙面膠紙

l   助焊膏（非必需）

l   麥克筆

回歸基本概念

吊飾設計只涉及「並聯電路」概念，這屬電子學   BB 級的學習範圍，在此不妨簡單贅述，遷就新手。

在電路設計上，電源、零件與導線連接的方式主要有兩種，分別為「串聯電路（Series Circuit）」，或「並聯電路（Parallel Circuit）」架構。串聯電路就像「串燒」，所有零件串接在同一個封閉回路（Closed Circuit）上，電流從電源正極輸出，流經所有零件（電阻或   LED），回到電源負極，所以，流經所有零件的電流相等。另一個重要概念是，電源供給的電壓被各零件（電阻或   LED）「瓜分」。根據歐姆定律（Ohm’s Law），V = I x R，零件兩端的電壓降與其內阻成正比。此外，根據克希荷夫電壓定律（Kirchhoff's Voltage Law），所有零件兩端的電壓降相加的和，必等於電源電壓值。

圖一為串聯電路例子，相同電流   I 流過電阻   R₁、R₂ 及   R₃，各電阻兩端的電壓差分別為   IR₁、IR₂ 及   IR₃，而且   IR₁ + IR₂ + IR₃ = 3V。

圖一：串聯電路示例

至於在並聯電路，電流從電源正極輸出，然後經過負載（R）流回負極。此負載（R）兩端就是與電源接成並聯電路。負載（R）可以是一個或多過組成，如圖二所示。

圖二為並聯電路。總電流   I 等於各分支電流總和，即 I = I₁ + I₂ + I₃。各電阻兩端的電壓差均為   3V。

圖二：並聯電路示例

串聯和並聯的抉擇

我們要點亮多顆   LED 時，它們在電路中「串聯」還是「並聯」較適合呢？如果把   LED 串聯，倘若其中一顆   LED 因某種原因損毀，整個電路成為開路狀態，沒有電流流過其他   LED，所有   LED 並不會亮著。相反，將   LED 並聯，即使其中一顆   LED 損毀，電流仍可流經其他   LED。此外，因並聯較易觀察   LED 運作狀況，維修電路較方便。

這次所製作的   LED 吊飾需要焊接   5 顆   LED，電源電壓為   3V。電路設計上會把   LED 並聯。除了可避免單點故障（Single Point of Failure），也保證每顆   LED 有足夠電壓推動，因單顆   LED 的順向偏壓值約   2V。要點亮   5 顆串聯   LED，電源電壓至少需要   10V，明顯大於鋰錳電池的標清電壓   3V。因此，LED 需要並聯焊接，每顆   LED 才可正常工作。此外，各   LED 需串接一顆電阻，以限制電流。

將電路變成樹葉形

進入設計部分。我們先根據吊飾所需零件畫出電路圖（圖三）。

圖三：LED 吊飾電路圖

圖四是等效樹葉形電路圖：

圖四：LED 樹葉形吊飾電路圖

製作實物時，因為使用鈕扣電池，電池正極會與電路圖中標為紅色的銅線接觸，而電池負極則與標為藍色的銅線接觸。另外，為使移動吊飾時不令電池脫位，我們需要製作電池托，詳情於下回逐步說明。

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"Clock" 不簡單：四位數電子時鐘套件

筆者所研發的四位數電子時鐘套件

相信不少電子愛好者曾經購買 DIY 電子電路套件。買回家後按說明書將零件小心逐一焊接，完成後接上電源那一刻……唷勁開心！當順利見到套件運作正常，發光發聲或會走會叫，成功感非常之大。市面上有形形式式的電子套件，因為趣味性及實用性高，電子時鐘在電子套件類別中必是執其牛耳，不可或缺的產品。

最近筆者亦嘗試設計一個功能較完善的電子時鐘套件，在外型和功能上加入創新元素，希望帶給同好耳目一新的感覺。

以下列出這款電子時鐘的規格和主要特色：

規格

• 工作電壓       3-5V
• 工作電流       5mA @ 3.5V
• 成品尺寸       85mm(長) x 36mm(闊) x 21mm(高)

主要功能及特點

• 大型 4 位數字 LED 顯示屏
• 低耗電量
• 12 / 24 小時時間制式
• 日期設定，顯示最大至 2099 年 12 月 31 日
• 響鬧裝置
• 斷電記憶
• 1 分鐘斷電續航
• 系統重置
• 省電模式
• 顯示屏亮度調校
• 低電量提示
• 定時開關訊號輸出埠

值得一提是特點「定時開關訊號輸出埠」，因你可外接電路，作定時開關電器功能，說明書提供兩個範例電路，以供參考。

這款套件不包括外殼，但在主   PCB 板兩側各設一個柱孔，你可使用膠柱、銅柱等作支架，並自行設計外殼，創作屬於你的電子時鐘，成為時鐘建築師！

套件包括詳細焊接說明書及操作說明書。如果不喜歡看文字，筆者亦製作了   3 套簡短影片，介紹套件、焊接小撇步及時鐘操作方法，按以下   YouTube 連結即可觀賞：

【影片一：電子時鐘套件簡介】（https://youtu.be/OnLkW0r0Nmw）

本影片除簡短展示完成後的時鐘外型，亦示範如何以一個圓形膠筒製作外殼，絕對比一般方方正正的模樣更為特別。希望它能帶給你新思維新創意，給你創作的靈感。

【影片二：電子時鐘套件焊接指引】（https://youtu.be/WLdr1t99Q0U）

開始焊接前宜先觀看此影片，了解焊接步驟及注意事項，可縮短你的焊接時間和確保製作過程順利。

【影片三：電子時鐘套件操作示範】（https://youtu.be/D0cj9z7fEIE）

此影片介紹時鐘的各項功能與及操作，包括時間、日期設定等。

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此款電子時鐘套件功能較多，硬件設計上亦已盡量提高運作時的穩定性為考慮，電路較複雜，涉及零件較多，因此適合喜歡挑戰難度、或對電子製作較有基礎的同好。不過，如果你想省略焊接過程，直接擁有成品，筆者亦可代勞，製作並測試後把完成的時鐘交給你，只需提供電源即可運作。

訂購產品可循以下途徑：

ETSY 網址

https://www.etsy.com/hk-en/listing/697326534/4-digit-led-clock-kit-diy-clock-kit?ref=listings_manager_grid

只提供零售，如欲大量訂購，請直接到WWW.ALIEN-1.COM ，或電郵   enquiry@alien-1.com 查詢詳情及批發折扣。本港見面交收免運費，請直接聯絡本人詳情，不需經ETSY訂購。

筆者官網

WWW.ALIEN-1.COM  (進入主頁 > 產品訂購 > 時鐘套件)

你亦可在官方網頁訂購產品，或直接發電郵   enquiry@alien-1.com 通知筆者你欲訂購的數量、聯絡方法，以及註明需要套件或成品。付款方法只接受現金（香港門市購買）或信用卡/ PayPal，敬請留意。

官網亦列出筆者和設計團隊所研發的其他電子產品，其包羅萬有，涵蓋電子調速器、混控器、穩壓器收發器等範疇，還望各位多多支持。筆者會繼續努力構思電子產品及不定期在此博客發表文章，與同好分享電子基本知識。我們亦可代客開發 MCU 單晶片軟件、電子電路硬體、PCB 底板繪製，及 STEM 教學套件等，歡迎有興趣者洽談技術協作。

勁！爆！性價比高之直流電源供應器！（預告）

不時與一眾電子產品設計同業及圈內朋友、同學等閒聊，大家總會提及測試不同電子產品時，必須擁有一臺工作穩定、低噪音、輸出電壓及電流範圍廣闊的大功率穩壓器，當然市面亦有類同產品，但售價不菲。
   
為此收集各方友好不同建議，去蕪存菁成功開發一款價廉物美、性能不俗，兼且具有環保概念的開關式穩壓器。及至現在，產品終於進入最後測試階段，今天在此先向各位預告產品規格和特點，產品將於不日推出發售。如有同好對此產品感興趣，請踴躍留言提出寶貴意見，筆者不勝感激。

網頁：www.alien-1.com

電郵：enquiry@alien-1.com

產品介紹

【DC-DC 升降壓穩壓器】

Alien-1 新產品 DC-DC 升降壓穩壓器，產品性能優越，工作電壓範圍廣，能適應大小不同的輸入直流源，如新舊火牛、汽車電池、太陽能電池、風力發電機等均可廣泛應用。

由於穩壓器輸出穩定，紋波及噪音極低，不單具有降壓更兼備升壓功能，輸出電壓及電流可調，故此可匹配不同電子器材作電源供應使用。另設兩組記憶功能及內置電流過載保護，使用時更方便安全。

【產品規格】

★  工作電壓：10V-30V

★  輸入電流：最大 24A

★  輸出電流：0.1A-24A（可調）

★  輸出電壓：0.1V-24V（可調）

★  漣波電壓：10mV（輸出電流 >= 10A  時）

【產品特點】

★ 升降壓輸出

★ 大功率直流穩壓輸出

★ 3 位數字式電壓及電流顯示

★ 可調輸出電壓及電流

★ 兩組輸出電壓及電流記憶功能

★ 電流過載指示及保護

打地鼠遊戲邏輯電路設計範例

前言

本電路以非編程方式實現經典打地鼠遊戲。使用邏輯 IC 取代微處理器控制流程，所構成的電路較為複雜，並涉及多個技術難點。是次回歸原始，目的為向大家示範如何運用基本邏輯閘及離散電子元件組合，製作較大型邏輯電路。從電路設計、選購元件到測試階段整個過程曾遇到大小不一的困難與喜悅，在此通過互聯網，冀與電子愛好者相互交流不吝指正、分享經驗。望透過此一有趣範例能吸引更多門外漢增加對電子學的興趣。

打地鼠遊戲說明

目的

遊戲開始後，16 個帶燈按鈕（地鼠）隨機亮起，並相隔特定時間只亮一顆。玩家需要在燈熄滅前及時按下按鈕取分，直至遊戲結束。

遊戲模式

設單關（單獨關卡）及連關（連續關卡）模式。

A. 單關模式

遊戲開始前，用「選擇等級」按鈕選擇等級 0 至 4 其中一級，以第 0 級亮燈頻率最低，第 4 級最高。每局上限隨機亮燈 20 次，擊中可取 1 分。如擊中率少於 50%，即累積打失次數達 11 次，遊戲即時結束，紅色指示燈亮起。如順利完成整個遊戲，遊戲結束後綠色指示燈亮起。

B. 連關模式

遊戲從第 0 級開始，計分方法與單關模式相同。順利完成即可晉級，晉級後累積打失次數將重設為 0。如處於任何一關，其累積打失次數達 11 次，遊戲即時結束，紅色指示燈亮起。玩家若能連續晉級並順利完成第 4 級，遊戲結束後綠色指示燈亮起。累積分數達 100 分者（連關模式下，擊中率達 100%），橙色指示燈不斷閃爍。

遊戲輸入

項目	元件
「開始 / 暫停」按鈕	按鍵開關 x 1
「選擇等級」按鈕	按鍵開關 x 1
「遊戲模式」選擇器	雙刀雙擲（DPDT）開關 x 1
基本出燈速度控制器	可調電阻 x 1
「地鼠」	帶燈按鈕 x 16

遊戲輸出

項目	元件
現時等級	七段共陰數碼管 x 1
累積分數	七段共陰數碼管 x 2
累積打失次數	七段共陰數碼管 x 2
順利完局指示燈	綠色 LED x 1
本局失敗指示燈	紅色 LED x 1
累積分數 100 分指示燈	橙色自閃 LED x 1

遊戲流程簡述

1.   使用 DPDT 開關選擇遊戲模式。

2.   如選擇單關模式，可進一步選擇遊戲級別。

3.   按一下「開始 / 暫停」按鈕開始遊戲。

4.   遊戲進行途中，可隨時按一下「開始 / 暫停」按鈕切換暫停或繼續遊戲。

5.   遊戲結束後方能按一下「開始 / 暫停」按鈕重新遊戲。在任何情況下切換遊戲模式，整個遊戲將重設，並等待新局開始。

參考電路 （可按此下載）

電路設計概略

• 設計電路前，應先規劃遊戲大綱，然後制定規則、主要輸入與輸出數目、流程時序等，以縮減往後電路測試和修改時間。
• 電路設計務求簡潔，選擇 IC 時需特別留意其工作電壓、扇出數及輸出電流，以免因推動力不足影響次級 IC 元件輸入位準或其他元件運作。建議統一採用同族 IC 如 4000 系列 CMOS 或 74HC 高速系列，混合使用可能因兩者特性差異（例如響應頻率），影響電路正常操作。然而，本參考電路出現不同 IC 族混合使用情況，原因是盡量運用手上現有資源，這當然會遇上一定困難。如各位有興趣進行本項目，可自行按需要適量修改電路。
• 為增加電路穩定性，各 IC 電源 VCC 與接地 GND 腳位之間可駁接電容（如 0.1µF），或在電路正負極之間駁接一顆較大電容量的電容代替（以本參考電路為例，可使用 22µF）。
• 電源接上片刻，整體電路處於不明狀態，必需要自動進行一次重設。
• 如使用有 N 個輸入端的邏輯閘，而實際扇入數少於 N 時，空出的輸入端最好按情況全接至 VCC（如 AND 閘）或 GND（如 OR 閘）。
• 留意計數器 IC 屬正緣或是負緣觸發，當兩種不同觸發類型 IC 配合使用時，需小心設計該部分電路，確定可正確計數。

電路焊接與測試

• 繪製初版電路圖後，應先分多個小部分焊接測試。如不熟悉某種 IC 的特性，更需先查閱數據手冊（DATASHEET），並透過簡單實驗作基本了解。
• 焊接電路後，以萬用電表檢查各焊點是否焊接妥當，沒有短路，架起電路板方開啟電源測試。
• 留意電源電壓不可超出 IC 工作電壓，否則可導致元件銷毀。
• 接線過長或過度堆疊，有機會對電路造成干擾，使運作不穩定，請特別留意。
• 建議規劃電路板上的元件時，加入數個備用 IC 座及插針插座，方便在測試階段時修改電路。

相關影片

以下分別為打地鼠遊戲介紿及示範影片，希望大家進一步了解遊戲設計和製作的心路歷程：

遊戲介紹

遊戲示範

止於至善——經典數位電路：4 位二進制密碼鎖（進階版）

前文提要

上回講述初階版 4 位二進制密碼鎖電路，密碼核對部分以 2 輸入 XNOR 閘和 4 輸入 AND 閘構成。只要輸入正確密碼，LED 便亮著。因電路設計非常簡單，存在不少漏洞，所以不適合應用於實際生活。如此，文末建議將電路加以完善，並設定以下條件：

設計一個 4 位二進制密碼鎖。預設一組密碼〈P3, P2, P1, P0〉，使用者輸入另一組數值〈U3, U2, U1, U0〉後，按「提交」鍵核對。如兩組數值相符（每個位元對〈Ui, Pi〉的值需相同），綠色    LED 穩定亮著；如不相符，則紅色 LED 亮起後熄滅。系統接受最多連續三次錯誤輸入，之後需按「重置」鍵，以重新接受輸入。（如輸入密碼正確，亦需按「重置」鍵進行下一次核對。）

各位可有想出符合以上條件的電路？事實上，要全以邏輯元件建構電路，當中有一定挑戰性；相反，如轉用編程方法實踐，電路定必大幅簡化，但為熟習邏輯電路設計技術，諸位必須迎難而上、積極思考、夙夜練習。

進階電路剖析

設計電路前，宜先清楚列出電路組成部分：

輸入元件

l   兩組 4 位撥動開關（預設密碼和輸入密碼）

l   「提交」鍵

l   「重置」鍵

輸出元件

l   紅色 LED

l   綠色 LED

詳細執行要求

l   按下「提交」鍵後始進行密碼核對，並出現下列其一情況：

（情況一）之前輸入錯誤次數累計少於 3 次以下，並且現時綠色 LED 未有亮著：

n   如兩組密碼相符，綠色 LED 穩定亮著。

n   如兩組密碼不相符，紅色 LED 短暫亮著，輸入錯誤次數遞增一次。

（情況二）之前輸入錯誤次數累計已達 3 次：

n   不管兩組密碼是否相符，皆沒有燈號提示。

（情況三）之前輸入正確密碼，現時綠色 LED 穩定亮著：

n   必須按下「重置」鍵，始可再次輸入密碼。

l   按下「重置」鍵後，不論先前所輸入的密碼錯誤或正確，所有燈號（如有）將消除，並且將輸入錯誤記錄次數重設為零，準備接受新一次密碼核對。

參考電路

一如慣例，先提供參考電路（可按此下載）。

圖一：4 位二進制密碼鎖（進階版）參考電路

電路操作流程

邏輯電路設計如下棋佈陣，各電路部分環環相扣，比編程更難於有系統地分拆講述，大型邏輯電路設計尤甚。筆者只能嘗試解構當中重點，望諸位見諒。

本參考電路的密碼輸入和核對部分，與初階版電路相若，皆使用 2 輸入 XNOR 閘和 AND 閘組成。初階版電路使用 4 輸入 AND 閘，本電路則需要第 5 個 AND 閘輸入，該輸入直接與「提交」（SUBMIT）鍵相接。由於坊間沒有 5 輸入 AND 閘，是次改用 8 輸入 AND 閘，只要將其中 4 個輸入直接連接，便可當成 5 輸入 AND 閘使用。

未按「提交」鍵時，第 5 個 AND 閘輸入「L」；按下「提交」鍵後，第 5 個 AND 閘輸入的位準取決於 NOR 閘（標示名稱：U3B）輸出。只有兩個 NOR 閘輸入為「L」，輸出才會為「H」。進一步觀察電路，兩個輸入皆為「L」的條件為：

1.          現時紅色 LED（R LED）不亮著；

2.          現時沒按下「重置」鍵（RESET）不放；

3.          現時綠色 LED（G LED）不亮著；及

4.          現時密碼輸入錯誤的次數未達 3 次

符合以上條件並按下「提交」鍵後，第 5 個 AND 閘輸入的位準為「H」，表示有效的提交。讓我們分開以下兩種情形講述電路的連鎖反應：

(1)   輸人密碼正確

8 輸入 AND 閘將輸出「H」，即 AND 閘（U5C）第 8 腳位為「H」。留意按下「提交」鍵前及連續輸入錯誤次數少於 3 次，令 AND 閘（U5B）第 4 腳已輸出「H」，因接至 AND 閘（U5C）第 9 腳，該輸入端同為「H」，最後令綠色 LED 亮著。AND 閘（U5C）輸出接回第 8 腳，產生閂鎖功能（參閱文章：《簡單？不簡單！：三人搶答系統（進階版）電路探討》），如「重置」鍵不按下，LED 保持長亮。

留意接至「提交」鍵的 NOR 閘（U3B）變成輸出「L」（請各位嘗試推敲原因），即不接受下一次提交密碼，直至按下「重置」鍵。

(2)   輸人密碼錯誤

8 輸入 AND 閘將輸出「L」，令 AND 閘（U5A）第 1 腳位為「H」。留意，按下「提交」鍵一剎（未復位時），亦令 AND 閘第 2 腳位為「H」，最後因輸出「H」而使紅色 LED 亮起。然而紅色 LED 亮起後短時間內會熄滅，亮著所維持的時間取決於接至該 AND 閘第 2 腳位的電容和電阻值。注意，當紅色 LED 仍然亮著時，不接受新一次密碼核對，你知道是什麼原因嗎？

AND 閘（U5A）輸出「H」亦令十進制計數器 IC 4017 加一，即密碼輸入錯誤次數累加一次。如錯誤次數少於上限，仍可繼續接受新一次密碼核對。否則當 4017 的 Q3 輸出「H」，表示錯誤次數已達上限，最後令 NOR 閘（U3B）輸出「L」，直至按下「重置」鍵，方可再有 3 次機會核對密碼。

電路設計要點

物盡其用

參考電路圖上的邏輯元件可進一步簡化，例如 NOR 閘（U3A）與 NOT 閘（U4A）可直接使用 OR 閘取代，又或兩個相連的 NOT 閘（U4C 和 U4D）可改成一個緩衝（Buffer）閘。但電路設計在大多數情況下，應以精簡為原則，例如 4069 IC 包含 6 個 NOT 閘，我們不妨物盡其用，使用當中 4 個 NOT 閘。相較另加一個緩衝 IC，更能節省電路成本和縮減電路尺寸。

二極管的使用

參考電路上有 3 顆二極管 IN4148，相隔電路前後部分，令兩者不互相影響，避免操作錯誤或引致短路。

緩衝閘的作用

邏輯閘輸出端接駁至下一級邏輯閘輸入端的數量是有限制的，我們稱之為扇出數。以 TTL 為例大概扇出 10 左右，所以使用邏輯閘輸出端接駁不同的負載（如指示燈、繼電器或大量邏輯閘輸入閘等），導致輸出產生壓降，令推動下一級邏輯閘輸入端的位準電壓降低，使工作產生錯誤。此時可使用一個或多個緩衝閘負擔部份負載輸出。以本電路為例，若在紅色 LED 前不接駁緩衝閘，LED 不能點亮。

實際操作問題

完成電路焊接後，接上電源嘗試操作，你或許發現電路出現不正常狀況，例如綠色 LED 無故亮起，又或按下「提交」鍵後，LED 全沒反應。出現這個狀況，在於接上電源後，輸入各 IC 的工作電壓慢慢浮升，但因特性差異，未能同步正式工作，故此在初始階段處於不明狀態，可能令某些邏輯元件產生錯誤輸出、計數器初值不是零等。只要在每次開機後，按下「重置」鍵便回復正常操作。追求完美的你或認為這種動作帶來不便，此時我們可修改電路，強制電路在開機後自動重置，徹底解決問題。修改部分較為複雜，在此省略，如有興趣請自行研究。

圖二：設有「開機後自動重置」功能的參考實體電路

最後送上圖二的電路示範影片，以茲參考：