崑 山 科 技 大 學

機械工程系

兩年制大學部

實務專題製作成果報告

太陽能儲能夜間警示照明

安全帽之設計開發

指導教授 廖培凱 副教授

洪興林 教授

組 員 葉星翰 C960H002

劉鴻譯 C960H007

李振安 C960H047

楊力維 C960H001

中 華 民 國 九 十 八 年 四 月 十 六 日

I

摘要

在地窄人綢的台灣地區機車是一種機動性高且普遍的交通工

具由於機車不同於汽車交通事故發生時往往造成無法挽回的傷

害因此立法規定騎機車必須配戴安全帽但是夜間騎乘機車時為

使機車騎士較容易被其他汽機車駕駛人注意於是構想在安全帽外

面增加LED的燈泡並加裝光敏電阻讓夜間就算摩托車騎士於夜

間就算忘記開啟LED燈其也會自動開啟如此始可改善夜間行車的

能見度有效降低傷亡人數

II

誌謝

在本次的專題製作過程當中承蒙了我們的專題指導老師廖培凱

及協助老師洪興林研究上所討論不同構想方法讓我們在專題的製

作上有廣大發展空間解決了很多令我們頭痛的問題更感謝明峰安

全帽有限公司吳老闆熱情的贊助材料還有之中幫忙接洽的學長們

這使我們節省了許多經費

當成品完成時我們終於知道做一個專題真的很不容易我們也知

道「創新」的困難之處在哪裡畢竟前無古人後無來者但也從之中

獲得很多的知識原來讀書也是可以多采多姿的在此誠心感謝曾經

教導我們 LED 照明安全帽的老師及學長們

III

目錄

摘要----------------------------------------------------Ⅰ

誌謝----------------------------------------------------Ⅱ

目錄----------------------------------------------------Ⅲ

圖目錄--------------------------------------------------Ⅵ

表目錄--------------------------------------------------Ⅷ

第一章 序論

1-1 研究動機------------------------------------- 1

1-2 整體構想------------------------------------- 3

1-3 文獻回顧------------------------------------- 3

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS----------------------------- 5

2-2 光電轉換------------------------------------- 6

2-3 電路設計------------------------------------- 8

IV

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體-------------------------------------10

3-2 吸收衝擊墊-----------------------------------11

3-3 可拆式襯墊-----------------------------------12

3-4 扣環設計-------------------------------------12

3-5 繼電器---------------------------------------13

3-6 電晶體---------------------------------------17

3-7 三用電表----------------------------------- 19

3-8 光伏電池板---------------------------------- 22

3-9 充電電池-------------------------------------23

3-10 開關及電池裝置-------------------------------28

3-11 電阻---------------------------------------- 28

3-12 二極體概論---------------------------------- 32

3-13 光敏電阻------------------------------------ 39

3-14 發光二極體-----------------------------------40

第四章 實驗設備及實驗步驟

V

4-1 組裝步驟-------------------------------------47

4-2 成品拍攝------------------------------------48

第五章 結論

5-1 問題討論-------------------------------------52

5-2 未來展望-------------------------------------52

參考文獻------------------------------------------------53

VI

圖目錄

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理------------------------------ 6

圖 2-2 光電轉換------------------------------------- 8

圖 2-3-1

圖 2-3-2

電路圖---------------------------------------

電路圖----------------------------------------

9

9

圖 3-1-1 帽體側視-------------------------------------- 10

圖 3-1-2 帽體正視-------------------------------------- 10

圖 3-1-3 帽體下視-------------------------------------- 10

圖 3-1-4 帽體後視-------------------------------------- 10

圖 3-2-1 衝擊墊側視------------------------------------ 11

圖 3-2-2 衝擊墊正視------------------------------------ 11

圖 3-2-3 衝擊墊下視------------------------------------ 11

圖 3-2-4 衝擊墊上視------------------------------------ 11

圖 3-3 可拆式襯墊------------------------------------ 12

圖 3-4-1 扣環結合-------------------------------------- 12

圖 3-4-2 扣環分離-------------------------------------- 12

圖 3-5-1 繼電器--------------------------------------- 13

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點------------------------------ 15

圖 3-6-1 穿孔的電晶體---------------------------------- 19

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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 SUO 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I

摘要

在地窄人綢的台灣地區機車是一種機動性高且普遍的交通工

具由於機車不同於汽車交通事故發生時往往造成無法挽回的傷

害因此立法規定騎機車必須配戴安全帽但是夜間騎乘機車時為

使機車騎士較容易被其他汽機車駕駛人注意於是構想在安全帽外

面增加LED的燈泡並加裝光敏電阻讓夜間就算摩托車騎士於夜

間就算忘記開啟LED燈其也會自動開啟如此始可改善夜間行車的

能見度有效降低傷亡人數

II

誌謝

在本次的專題製作過程當中承蒙了我們的專題指導老師廖培凱

及協助老師洪興林研究上所討論不同構想方法讓我們在專題的製

作上有廣大發展空間解決了很多令我們頭痛的問題更感謝明峰安

全帽有限公司吳老闆熱情的贊助材料還有之中幫忙接洽的學長們

這使我們節省了許多經費

當成品完成時我們終於知道做一個專題真的很不容易我們也知

道「創新」的困難之處在哪裡畢竟前無古人後無來者但也從之中

獲得很多的知識原來讀書也是可以多采多姿的在此誠心感謝曾經

教導我們 LED 照明安全帽的老師及學長們

III

目錄

摘要----------------------------------------------------Ⅰ

誌謝----------------------------------------------------Ⅱ

目錄----------------------------------------------------Ⅲ

圖目錄--------------------------------------------------Ⅵ

表目錄--------------------------------------------------Ⅷ

第一章 序論

1-1 研究動機------------------------------------- 1

1-2 整體構想------------------------------------- 3

1-3 文獻回顧------------------------------------- 3

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS----------------------------- 5

2-2 光電轉換------------------------------------- 6

2-3 電路設計------------------------------------- 8

IV

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體-------------------------------------10

3-2 吸收衝擊墊-----------------------------------11

3-3 可拆式襯墊-----------------------------------12

3-4 扣環設計-------------------------------------12

3-5 繼電器---------------------------------------13

3-6 電晶體---------------------------------------17

3-7 三用電表----------------------------------- 19

3-8 光伏電池板---------------------------------- 22

3-9 充電電池-------------------------------------23

3-10 開關及電池裝置-------------------------------28

3-11 電阻---------------------------------------- 28

3-12 二極體概論---------------------------------- 32

3-13 光敏電阻------------------------------------ 39

3-14 發光二極體-----------------------------------40

第四章 實驗設備及實驗步驟

V

4-1 組裝步驟-------------------------------------47

4-2 成品拍攝------------------------------------48

第五章 結論

5-1 問題討論-------------------------------------52

5-2 未來展望-------------------------------------52

參考文獻------------------------------------------------53

VI

圖目錄

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理------------------------------ 6

圖 2-2 光電轉換------------------------------------- 8

圖 2-3-1

圖 2-3-2

電路圖---------------------------------------

電路圖----------------------------------------

9

9

圖 3-1-1 帽體側視-------------------------------------- 10

圖 3-1-2 帽體正視-------------------------------------- 10

圖 3-1-3 帽體下視-------------------------------------- 10

圖 3-1-4 帽體後視-------------------------------------- 10

圖 3-2-1 衝擊墊側視------------------------------------ 11

圖 3-2-2 衝擊墊正視------------------------------------ 11

圖 3-2-3 衝擊墊下視------------------------------------ 11

圖 3-2-4 衝擊墊上視------------------------------------ 11

圖 3-3 可拆式襯墊------------------------------------ 12

圖 3-4-1 扣環結合-------------------------------------- 12

圖 3-4-2 扣環分離-------------------------------------- 12

圖 3-5-1 繼電器--------------------------------------- 13

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點------------------------------ 15

圖 3-6-1 穿孔的電晶體---------------------------------- 19

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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II

誌謝

在本次的專題製作過程當中承蒙了我們的專題指導老師廖培凱

及協助老師洪興林研究上所討論不同構想方法讓我們在專題的製

作上有廣大發展空間解決了很多令我們頭痛的問題更感謝明峰安

全帽有限公司吳老闆熱情的贊助材料還有之中幫忙接洽的學長們

這使我們節省了許多經費

當成品完成時我們終於知道做一個專題真的很不容易我們也知

道「創新」的困難之處在哪裡畢竟前無古人後無來者但也從之中

獲得很多的知識原來讀書也是可以多采多姿的在此誠心感謝曾經

教導我們 LED 照明安全帽的老師及學長們

III

目錄

摘要----------------------------------------------------Ⅰ

誌謝----------------------------------------------------Ⅱ

目錄----------------------------------------------------Ⅲ

圖目錄--------------------------------------------------Ⅵ

表目錄--------------------------------------------------Ⅷ

第一章 序論

1-1 研究動機------------------------------------- 1

1-2 整體構想------------------------------------- 3

1-3 文獻回顧------------------------------------- 3

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS----------------------------- 5

2-2 光電轉換------------------------------------- 6

2-3 電路設計------------------------------------- 8

IV

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體-------------------------------------10

3-2 吸收衝擊墊-----------------------------------11

3-3 可拆式襯墊-----------------------------------12

3-4 扣環設計-------------------------------------12

3-5 繼電器---------------------------------------13

3-6 電晶體---------------------------------------17

3-7 三用電表----------------------------------- 19

3-8 光伏電池板---------------------------------- 22

3-9 充電電池-------------------------------------23

3-10 開關及電池裝置-------------------------------28

3-11 電阻---------------------------------------- 28

3-12 二極體概論---------------------------------- 32

3-13 光敏電阻------------------------------------ 39

3-14 發光二極體-----------------------------------40

第四章 實驗設備及實驗步驟

V

4-1 組裝步驟-------------------------------------47

4-2 成品拍攝------------------------------------48

第五章 結論

5-1 問題討論-------------------------------------52

5-2 未來展望-------------------------------------52

參考文獻------------------------------------------------53

VI

圖目錄

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理------------------------------ 6

圖 2-2 光電轉換------------------------------------- 8

圖 2-3-1

圖 2-3-2

電路圖---------------------------------------

電路圖----------------------------------------

9

9

圖 3-1-1 帽體側視-------------------------------------- 10

圖 3-1-2 帽體正視-------------------------------------- 10

圖 3-1-3 帽體下視-------------------------------------- 10

圖 3-1-4 帽體後視-------------------------------------- 10

圖 3-2-1 衝擊墊側視------------------------------------ 11

圖 3-2-2 衝擊墊正視------------------------------------ 11

圖 3-2-3 衝擊墊下視------------------------------------ 11

圖 3-2-4 衝擊墊上視------------------------------------ 11

圖 3-3 可拆式襯墊------------------------------------ 12

圖 3-4-1 扣環結合-------------------------------------- 12

圖 3-4-2 扣環分離-------------------------------------- 12

圖 3-5-1 繼電器--------------------------------------- 13

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點------------------------------ 15

圖 3-6-1 穿孔的電晶體---------------------------------- 19

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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III

目錄

摘要----------------------------------------------------Ⅰ

誌謝----------------------------------------------------Ⅱ

目錄----------------------------------------------------Ⅲ

圖目錄--------------------------------------------------Ⅵ

表目錄--------------------------------------------------Ⅷ

第一章 序論

1-1 研究動機------------------------------------- 1

1-2 整體構想------------------------------------- 3

1-3 文獻回顧------------------------------------- 3

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS----------------------------- 5

2-2 光電轉換------------------------------------- 6

2-3 電路設計------------------------------------- 8

IV

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體-------------------------------------10

3-2 吸收衝擊墊-----------------------------------11

3-3 可拆式襯墊-----------------------------------12

3-4 扣環設計-------------------------------------12

3-5 繼電器---------------------------------------13

3-6 電晶體---------------------------------------17

3-7 三用電表----------------------------------- 19

3-8 光伏電池板---------------------------------- 22

3-9 充電電池-------------------------------------23

3-10 開關及電池裝置-------------------------------28

3-11 電阻---------------------------------------- 28

3-12 二極體概論---------------------------------- 32

3-13 光敏電阻------------------------------------ 39

3-14 發光二極體-----------------------------------40

第四章 實驗設備及實驗步驟

V

4-1 組裝步驟-------------------------------------47

4-2 成品拍攝------------------------------------48

第五章 結論

5-1 問題討論-------------------------------------52

5-2 未來展望-------------------------------------52

參考文獻------------------------------------------------53

VI

圖目錄

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理------------------------------ 6

圖 2-2 光電轉換------------------------------------- 8

圖 2-3-1

圖 2-3-2

電路圖---------------------------------------

電路圖----------------------------------------

9

9

圖 3-1-1 帽體側視-------------------------------------- 10

圖 3-1-2 帽體正視-------------------------------------- 10

圖 3-1-3 帽體下視-------------------------------------- 10

圖 3-1-4 帽體後視-------------------------------------- 10

圖 3-2-1 衝擊墊側視------------------------------------ 11

圖 3-2-2 衝擊墊正視------------------------------------ 11

圖 3-2-3 衝擊墊下視------------------------------------ 11

圖 3-2-4 衝擊墊上視------------------------------------ 11

圖 3-3 可拆式襯墊------------------------------------ 12

圖 3-4-1 扣環結合-------------------------------------- 12

圖 3-4-2 扣環分離-------------------------------------- 12

圖 3-5-1 繼電器--------------------------------------- 13

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點------------------------------ 15

圖 3-6-1 穿孔的電晶體---------------------------------- 19

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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ITA 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 JPN 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IV

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體-------------------------------------10

3-2 吸收衝擊墊-----------------------------------11

3-3 可拆式襯墊-----------------------------------12

3-4 扣環設計-------------------------------------12

3-5 繼電器---------------------------------------13

3-6 電晶體---------------------------------------17

3-7 三用電表----------------------------------- 19

3-8 光伏電池板---------------------------------- 22

3-9 充電電池-------------------------------------23

3-10 開關及電池裝置-------------------------------28

3-11 電阻---------------------------------------- 28

3-12 二極體概論---------------------------------- 32

3-13 光敏電阻------------------------------------ 39

3-14 發光二極體-----------------------------------40

第四章 實驗設備及實驗步驟

V

4-1 組裝步驟-------------------------------------47

4-2 成品拍攝------------------------------------48

第五章 結論

5-1 問題討論-------------------------------------52

5-2 未來展望-------------------------------------52

參考文獻------------------------------------------------53

VI

圖目錄

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理------------------------------ 6

圖 2-2 光電轉換------------------------------------- 8

圖 2-3-1

圖 2-3-2

電路圖---------------------------------------

電路圖----------------------------------------

9

9

圖 3-1-1 帽體側視-------------------------------------- 10

圖 3-1-2 帽體正視-------------------------------------- 10

圖 3-1-3 帽體下視-------------------------------------- 10

圖 3-1-4 帽體後視-------------------------------------- 10

圖 3-2-1 衝擊墊側視------------------------------------ 11

圖 3-2-2 衝擊墊正視------------------------------------ 11

圖 3-2-3 衝擊墊下視------------------------------------ 11

圖 3-2-4 衝擊墊上視------------------------------------ 11

圖 3-3 可拆式襯墊------------------------------------ 12

圖 3-4-1 扣環結合-------------------------------------- 12

圖 3-4-2 扣環分離-------------------------------------- 12

圖 3-5-1 繼電器--------------------------------------- 13

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點------------------------------ 15

圖 3-6-1 穿孔的電晶體---------------------------------- 19

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors NoConversion DestinationProfileName () DestinationProfileSelector NA Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure true IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles true MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector NA PreserveEditing true UntaggedCMYKHandling LeaveUntagged 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V

4-1 組裝步驟-------------------------------------47

4-2 成品拍攝------------------------------------48

第五章 結論

5-1 問題討論-------------------------------------52

5-2 未來展望-------------------------------------52

參考文獻------------------------------------------------53

VI

圖目錄

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理------------------------------ 6

圖 2-2 光電轉換------------------------------------- 8

圖 2-3-1

圖 2-3-2

電路圖---------------------------------------

電路圖----------------------------------------

9

9

圖 3-1-1 帽體側視-------------------------------------- 10

圖 3-1-2 帽體正視-------------------------------------- 10

圖 3-1-3 帽體下視-------------------------------------- 10

圖 3-1-4 帽體後視-------------------------------------- 10

圖 3-2-1 衝擊墊側視------------------------------------ 11

圖 3-2-2 衝擊墊正視------------------------------------ 11

圖 3-2-3 衝擊墊下視------------------------------------ 11

圖 3-2-4 衝擊墊上視------------------------------------ 11

圖 3-3 可拆式襯墊------------------------------------ 12

圖 3-4-1 扣環結合-------------------------------------- 12

圖 3-4-2 扣環分離-------------------------------------- 12

圖 3-5-1 繼電器--------------------------------------- 13

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點------------------------------ 15

圖 3-6-1 穿孔的電晶體---------------------------------- 19

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ITA 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 JPN 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VI

圖目錄

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理------------------------------ 6

圖 2-2 光電轉換------------------------------------- 8

圖 2-3-1

圖 2-3-2

電路圖---------------------------------------

電路圖----------------------------------------

9

9

圖 3-1-1 帽體側視-------------------------------------- 10

圖 3-1-2 帽體正視-------------------------------------- 10

圖 3-1-3 帽體下視-------------------------------------- 10

圖 3-1-4 帽體後視-------------------------------------- 10

圖 3-2-1 衝擊墊側視------------------------------------ 11

圖 3-2-2 衝擊墊正視------------------------------------ 11

圖 3-2-3 衝擊墊下視------------------------------------ 11

圖 3-2-4 衝擊墊上視------------------------------------ 11

圖 3-3 可拆式襯墊------------------------------------ 12

圖 3-4-1 扣環結合-------------------------------------- 12

圖 3-4-2 扣環分離-------------------------------------- 12

圖 3-5-1 繼電器--------------------------------------- 13

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點------------------------------ 15

圖 3-6-1 穿孔的電晶體---------------------------------- 19

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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UntaggedRGBHandling LeaveUntagged UseDocumentBleed false gtgt ]gtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

VII

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號------------------- 19

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表----------------- 22

圖 3-7-2 數位是三用電表------------------------------- 22

圖 3-8 光伏電池板----------------------------------- 23

圖 3-9-1 12V 充電電池--------------------------------- 24

圖 3-9-2 9V 充電電池----------------------------------- 24

圖 3-9-3 電池原理-------------------------------------- 25

圖 3-12-1 二極體-------------------------------------- 32

圖 3-12-2 共價鍵------------------------------------- 33

圖 3-12-3 帶正電負荷的電洞-----------------------------33

圖 3-12-4 五價元素-------------------------------------34

圖 3-12-5 三價元素-------------------------------------33

圖 3-12-6 P-N接面------------------------------------- 36

圖 3-12-7 二極體順向偏壓------------------------------ 37

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓-------------------------------38

圖 3-14-1 藍光 LED------------------------------------ 44

圖 3-14-2 LED 之原理圖-------------------------------- 45

圖 4-1-1 成品正視圖-----------------------------------48

圖 4-1-2 成品後視圖---------------------------------- 49

VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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 SUO 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VIII

圖 4-1-3 成品上視圖-----------------------------------49

圖 4-1-4 成品右側視圖-------------------------------- 50

圖 4-1-5

圖 4-1-6

圖 4-1-7

成品左側視圖---------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

夜間成品前視--------------------------------

50

51

51

IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ITA 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 JPN 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IX

表目錄

表 1-1 台灣機動車輛登記數---------------------------- 2

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例------------ 2

表 1-3 文獻回顧-------------------------------------- 3

表 3-9 電池所用材料---------------------------------- 26

表 3-11 電阻值--------------------------------------- 31

1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ESP 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FRA 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1

第一章 序論

1-1 研究動機

西元 1997 年之後台灣的機車族明顯的增多相對的交通事故

也隨之增加意外發生時往往造成無法挽回傷害而且根據國內流行

病學調查發現機車意外發生時騎士頭部因受外物碰撞造成傷害比例

高達 68(請參考表 1-2)居世界各國之冠所以為顧及安全立法

院於民國 85 年 12 月三讀通過「強制騎乘機車時前後座需配戴安全

帽」據國外道路安全機構的統計有 82的交通意外事故發生於

光線不佳的陰雨天氣或是夜間如此高的比例顯見照明不良所造成

的視線不佳是交通意外之中相當重要的導因之一因此車輛在天

候不良的環境之中駕駛除了被動地仰賴道路的公共照明設施之外

汽機車本身擁有良好的照明系統將是可以有效降低交通意外的發

生若沒有效果更佳的照明系統輔助將是行車安全的一大威脅尤

其到了晚上光線不足會照造成機車騎士的視線不良或者是大貨車大

卡車會有死角容易造成車禍所以在夜間加裝 LED 的設備可以使自

己和別人更清楚了解路況因而減低意外

因此我們利用最容易取得莫過於我們每日接觸的太陽轉換成

潔能電力來驅動 LED讓安全帽的前後都可發光使自己和別人都

安全有效的減少傷亡人數

2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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2

表 1-1 台灣機動車輛登記數[3]

表 1-2 台灣機動車輛使用安全帽傷害人數比例[3]

3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

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動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

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3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

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原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

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3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

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5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

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4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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 PTB 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 SUO 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 SVE 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3

1-2 整體構想

太陽能儲能夜間警示安全帽是利用太陽光照射光伏電池板產

生熱能而轉換成電能此電能驅動性能能使 LED 燈發亮並使用光

敏電阻器來使其夜間自動開啟之功用以增加夜間行車之安全性前

面還有兩個 LED 照明器加裝開關能使其在夜間找尋物品提升明亮

度和便利性內含 2 段式開關可選擇太陽能電池全關狀態等三

種模式方便使用考慮太陽能光照熱量越強加裝電容使之穩定輸出

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的可再生綠色新能源必

定越來越受到人們的青睞也有效的促進國人配戴安全帽率減少傷

亡人數

1-3 文獻回顧

這章節的文獻回顧是製作成表格樣式使之方便閱讀預覽如

下表所示

表 1-3 文獻回顧[4]

作者 研究 研究年限 研究結果

林大煜等 台北市高雄市

花蓮縣 8188 人

77年10月-78年3

月

機車騎士戴安全

帽比率360

乘坐機車戴安全

帽比率172

周文生 台灣地區機車交

通事故資料

77 年 未戴安全帽者發

生事故後頭部外

傷發生率較戴安

全帽者高

4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ltFEFFc7740020c124c815c7440020c0acc6a9d558c5ec0020b370c2a4d06cd0d10020d504b9b0d1300020bc0f0020ad50c815ae30c5d0c11c0020ace0d488c9c8b85c0020c778c1c4d560002000410064006f0062006500200050004400460020bb38c11cb97c0020c791c131d569b2c8b2e4002e0020c774b807ac8c0020c791c131b41c00200050004400460020bb38c11cb2940020004100630072006f0062006100740020bc0f002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e00300020c774c0c1c5d0c11c0020c5f40020c2180020c788c2b5b2c8b2e4002egt NLD (Gebruik deze instellingen om Adobe PDF-documenten te maken voor kwaliteitsafdrukken op desktopprinters en proofers De gemaakte PDF-documenten kunnen worden geopend met Acrobat en Adobe Reader 50 en hoger) NOR ltFEFF004200720075006b00200064006900730073006500200069006e006e007300740069006c006c0069006e00670065006e0065002000740069006c002000e50020006f0070007000720065007400740065002000410064006f006200650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740065007200200066006f00720020007500740073006b00720069006600740020006100760020006800f800790020006b00760061006c00690074006500740020007000e500200062006f007200640073006b0072006900760065007200200065006c006c00650072002000700072006f006f006600650072002e0020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740065006e00650020006b0061006e002000e50070006e00650073002000690020004100630072006f00620061007400200065006c006c00650072002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000200065006c006c00650072002000730065006e006500720065002egt PTB ltFEFF005500740069006c0069007a006500200065007300730061007300200063006f006e00660069006700750072006100e700f50065007300200064006500200066006f0072006d00610020006100200063007200690061007200200064006f00630075006d0065006e0074006f0073002000410064006f0062006500200050004400460020007000610072006100200069006d0070007200650073007300f5006500730020006400650020007100750061006c0069006400610064006500200065006d00200069006d00700072006500730073006f0072006100730020006400650073006b0074006f00700020006500200064006900730070006f00730069007400690076006f0073002000640065002000700072006f00760061002e0020004f007300200064006f00630075006d0065006e0074006f00730020005000440046002000630072006900610064006f007300200070006f00640065006d0020007300650072002000610062006500720074006f007300200063006f006d0020006f0020004100630072006f006200610074002000650020006f002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002000650020007600650072007300f50065007300200070006f00730074006500720069006f007200650073002egt SUO ltFEFF004b00e40079007400e40020006e00e40069007400e4002000610073006500740075006b007300690061002c0020006b0075006e0020006c0075006f0074002000410064006f0062006500200050004400460020002d0064006f006b0075006d0065006e007400740065006a00610020006c0061006100640075006b006100730074006100200074007900f6007000f60079007400e400740075006c006f0073007400750073007400610020006a00610020007600650064006f007300740075007300740061002000760061007200740065006e002e00200020004c0075006f0064007500740020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740069007400200076006f0069006400610061006e0020006100760061007400610020004100630072006f0062006100740069006c006c00610020006a0061002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030003a006c006c00610020006a006100200075007500640065006d006d0069006c006c0061002egt SVE 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents for quality printing on desktop printers and proofers Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 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4

交通部運輸研究

所

以機車車主(或使

用者)為調查對

象以問卷方式了

解使用安全帽的

狀況即其面臨的

問題

86 年 4 月 一般民眾對於戴

安全帽的規定基

本上表示支持但

安全帽通風不

良妨礙視線攜

帶不易等確是其

缺憾

周文生 針對立法後安全

帽執法與使用現

況之探討

87 年 10 月 發現安全帽之使

用機率與警察執

法情形有顯著相

關

鄭志得 太陽能電能轉換

系統

89 年 以80196MC微處理

器為控制核心完

成可以獨立供電

和並聯的太陽能

電能轉換系統

黃文震 太陽光向偵測器

之設計與應用

95 年 測試出太陽在不

同時間角時造成

光與太陽能電池

表面呈一定角度

的關係

包濬瑋 太陽光發電系統

運轉性能評估

經由實際測量到

的數據得知中壢

地區太陽能陣列

所裝置的仰角如

能隨著四季變化

而調整冬季時仰

角調整至 30 度

夏季仰角調整至

10 度

蕭德仁 提升太陽能電池

發電效率參數與

機構之研究

93 1隨著太陽運行

軌跡調整太陽能

板的傾斜角度

2水冷式機構不

僅可以降低太陽

能電池的溫升即

灰塵附著等問題

3灰塵會造成陰

5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

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3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

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繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

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3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

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圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

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圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

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5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

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應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

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3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

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動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

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3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

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原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

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圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

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VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

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圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

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圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

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3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ITA 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 JPN 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 SUO 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5

影減弱日照亮及

發電量使用撒水

清洗可有效的提

升太陽能電池之

發電效益

第二章 應用原理

2-1 發泡聚苯乙烯 EPS

發泡聚苯乙烯（Evaporation Polystyrene）也就是俗稱的保利

龍依據保利龍發泡方法的不同可分為押出發泡平板成型（PSP）

和發泡粒成型（EPS）兩大類押出發泡平板成型是將聚苯乙烯添加

丁烷作為發泡劑送入押出機發泡 10 至 20 倍製成保利龍平板

這些厚度從 2mm 到 5mm 的平板經加熱真空成型後就是免洗餐

具生鮮托盤漢堡盒等保利龍產品了發泡成型則是添加發泡劑的

聚苯乙烯粒子在模具內用高溫蒸氣發泡 30 到 50 倍成型這些就是電

器緩衝包裝材建築隔熱材魚箱冰淇淋盒蛋糕盒等保利龍產品

也就是安全帽內的吸收衝擊墊

製作過程(如圖 2-1 所示)當在塑造中把未加熱的聚苯乙烯

顆粒放入一個大的圓筒槽中利用熱傳輸轉換成流體利用葉片反轉熱

槽材料在槽裡面產生摩擦槽內在預熱時間已經成為熱空氣增壓能

造成聚苯乙烯均勻地軟化而不會膨脹在軟化後使用真空法於槽內

材料會膨脹到所要求的密度槽內也回復到大氣壓力液態材料流出並

6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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6

保持在容器內等待冷卻後即是發泡完成品

圖 2-1 聚苯乙烯發泡原理[10]

2-2 光電轉換

讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明太陽能電池

的光起電力原理首先由材料方面談起矽是現在各種半導體產業中

最重要而且使用最廣泛的電子材料它的來源是矽砂（二氧化矽）

原料取得很容易成本也比較低

在元素周期表裡矽的原子序是 14晶體是鑽石結構屬於

第 IV 族元素所謂的第 IV 族元素是指在它的外層電子軌域上

有 4 個電子環繞原子核運行而這 4 個電子又稱為價電子每個矽

7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

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3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

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繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

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圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

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圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

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動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

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原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

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圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

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VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

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3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ITA 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 JPN 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 SUO 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7

的 4 個外層電子分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成

對形成共價鍵

N 型半導體如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子例

如磷原子這個雜質原子會取代矽原子的位置但是當擁有 5 個

價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候會多出 1 個自

由電子這個自由電子是一個帶負電的載子我們把這個提供自由電

子的雜質原子稱為施體而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體

P 型半導體同樣地如果在純矽中摻入三價的原子例如硼

原子這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置但因為硼原子只可

以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵因此會在硼原子的

周圍產生 1 個空缺這個空缺就被稱作電洞這電洞可以當成一個

帶正電的載子通常我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體

同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時N 型半導體內的電子會

湧入 P 型半導體中以填補其內的電洞在 P-N 接面附近因電

子－電洞的結合形成一個載子空乏區而 P 型及 N 型半導體中也

因而分別帶有負正電荷因此形成一個內建電場當太陽光照射到

這 P-N 結構時P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電

洞對由於空乏區所提供的內建電場可以讓半導體內所產生的電子

8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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8

在電池內流動因此若經由電極把電流引出就可以形成一個完整的

太陽能電池（如圖 2-2 所示）

圖 2-2 光電轉換[11]

2-3 電路設計

電路上設計所使用的零件有（如圖 2-3-12-3-2）太陽能板

（9V50mAtimes2）電池（12Vtimes39Vtimes1）LED 照明燈（DC12V）按

鈕二段式開關光敏電阻

LED 照明燈平時是以太陽能板來供電當太陽能板無法提供

的電力時可切換至電池來繼續供應電力在冬天太陽較弱太陽能無

法供應電力時也可利用電池供電

9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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9

圖 2-3-1 電路圖

圖 2-3-2 電路圖

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第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

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3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

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3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

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圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

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3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

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3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

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繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

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3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

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在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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httpzhwikipediaorgwindexphptitle=WikipediaE9A696E9A1B5ampvariant=zh-tw

[16] 電阻網站 httpsuncisscuedutw~labknowledgerhtm

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10

第三章 材料介紹

3-1 頭盔帽體

帽殼為 ABS 樹脂通過台灣 CNS-2396 和美國 DOT-218 認

證主要功能是在於受衝擊碰撞時利用幾何變形將衝擊力分散至較

大的面積使接近衝擊點的區域應力降低避免高度應力集中現象

並防止尖銳物體穿透安全帽

帽體與通風孔依空氣力學理論運用 IVS (系統整合)通風系

統使通風性絕佳並加上市面上從未出現的設計帽體後方獨創的

排出孔改良

圖 3-1-1 帽體側視 圖 3-1-2 帽體正視

圖 3-1-3 帽體下視 圖 3-1-4 帽體後視

11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

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3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

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3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

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繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

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3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

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圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

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圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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11

3-2 吸收衝擊墊

吸收衝擊墊EPS發泡之聚苯乙其材料組成為多孔性結構的封

閉氣室主要的功能在受衝擊時利用壓潰破壞封閉氣室的結構以

吸收大量的衝擊能量是安全帽受衝擊時吸收撞擊能量的主要元件

並加上獨特7道溝槽與多透氣統設計（如圖3-2-13-2-2

3-2-33-3-4）使之更加通風且不僅材質比傳統EPS輕厚度沒

有減少安全上更是有所保障

圖 3-2-1 衝擊墊側視 圖 3-2-2 衝擊墊正視

圖 3-2-3 衝擊墊下視 圖 3-2-4 衝擊墊上視

12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

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3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

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圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

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圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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12

3-3 可拆式襯墊

可拆式襯墊為聚胺基甲酸乙酯之發泡體功能是增加配戴時頭

部與帽體的密合以及分散吸收衝擊墊料與頭部之接觸應力增加舒

適感吸汗速乾抗菌防臭抗過敏內綿

改良襯墊中間一層材質防止戴安全帽時內裝電路板電子零

件和電池與頭部接觸以避免碰撞時直接傷害

圖 3-3 可拆式襯墊

3-4 扣環設計

扣環設計頤帶繫於下頷骨下方主要在於固定帽體與頭部之相

對位置防止因激烈晃動或行駛受到風壓時有安全帽自頭部脫位

甚至飛離等現象

13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

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3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

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圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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13

圖 3-4-1 扣環結合 圖 3-4-2 扣環分離

3-5 繼電器

繼電器(Relay)也稱電驛 是一種電子控制器件它具有控

制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）通常應用

於自動控制電路中它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」故在電路中起著自動調節安全保護轉換電路等作

用

圖 3-5-1 繼電器

14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

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5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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14

3-5-1 繼電器的種類

按輸入信號的性質分

1 電壓繼電器

2 電流繼電器

3 時間繼電器

4 溫度繼電器

5 速度繼電器

6 壓力繼電器

按工作原理分

1 電磁式繼電器

2 感應式繼電器

3 電動式繼電器

4 電子式繼電器

5 熱繼電器

6 光繼電器

15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

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圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

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5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

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應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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15

3-5-2 電磁繼電器的工作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯線圈銜鐵觸點簧片等組成的

只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會流過一定的電流從而

產生電磁效應銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力

吸向鐵芯從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合當線

圈斷電後電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會在彈簧的反作用力返回

原來的位置使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合這樣吸合

釋放從而達到了在電路中的導通切斷的目的對於繼電器的「常

開常閉」觸點可以這樣來區分繼電器線圈未通電時處於斷開狀

態的靜觸點稱為「常開觸點」處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉

觸點」

3-5-3 繼電器的電符號和觸點形式

圖 3-5-2 繼電器符號和觸點[15]

繼電器符號AB 代表 A 接點與 B 接點Ry 則為線圈

16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

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3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

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圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

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圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

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5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

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應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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16

繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示如果繼電器有兩個線

圈就畫兩個並列的長方框同時在長方框內或長方框旁標上繼電器

的文字元號「J」繼電器的觸點有兩種表示方法一種是把它們直

接畫在長方框一側這種表示法較為直觀另一種是按照電路連接的

需要把各個觸點分別畫到各自的控制電路中通常在同一繼電器的

觸點與線圈旁分別標註上相同的文字元號並將觸點組編上號碼以

示區別繼電器的觸點有三種基本形式

bull 動合型（H 型常開型）線圈不通電時兩觸點是斷開的通電

後兩個觸點就閉合以合字的拼音字頭「H」表示

bull 動斷型（D 型常閉型）線圈不通電時兩觸點是閉合的通電

後兩個觸點就斷開用斷字的拼音字頭「D」表示

bull 轉換型（Z 型）這是觸點組型這種觸點組共有三個觸點即

中間是動觸點上下各一個靜觸點線圈不通電時動觸點和

其中一個靜觸點斷開和另一個閉合線圈通電後動觸點就移

動使原來斷開的成閉合原來閉合的成斷開狀態達到轉換

的目的這樣的觸點組稱為轉換觸點用「轉」字的拼音字頭

「Z」表示

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3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

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室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

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5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

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3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

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動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

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3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

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原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

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圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

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圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

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VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

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圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

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圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

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3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

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現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

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3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

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3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

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5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

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4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

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圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

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圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

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圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

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第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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17

3-6 電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件可以用於放大

開關穩壓信號調製和許多其他功能

3-6-1 介紹

電晶體主要分為兩大類雙極性電晶體（BJT）和場效應電

晶體（FET）電晶體有三個極雙極性電晶體的三個極分別由 N

型跟 P型組成射極（Emitter）基極 (Base) 和集極（Collector） 場

效應電晶體的三個極 分別是源極 （Source）閘極（Gate）和洩

極（Drain）電晶體因為有三種極性所以也有三種的使用方式

分別是射極接地(又稱共射放大CE 組態)基極接地(又稱共基放

大CB 組態)和集極接地(又稱共集放大CC 組態射極隨隅器)

在雙極性電晶體中射極到基極的很小的電流 會使得射極到集極之

間 產生大電流 在場效應電晶體中在閘極施加小電壓 來控制源

極和洩極之間的電流在類比電路中電晶體用於放大器音頻放大

器射頻放大器穩壓電路 在計算機電源中主要用於開關電源

電晶體也應用於數位電路主要功能是當成電子開關數位電路包括

邏輯閘隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器電晶體在使用上有

許多要注意的最大額定值像是最大電壓最大電流最大功率helliphellip

18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

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圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

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5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

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原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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18

在超額的狀態下使用電晶體內部的結構會被破壞每種型號的電晶

體還有特有的特性像是直流放大率 hfeNF 噪訊比hellip等可以藉由

電晶體規格表或是 Data Sheet 得知電晶體在電路最常用的用途應該

是屬於訊號放大這一方面其次是阻抗匹配訊號轉換helliphellip等電晶

體在電路中是個很重要的元件許多精密的組件主要都是由電晶體製

成的

3-6-2 基本原理

NPN 順向主動工作區BE 接面順向 Vbe gt 07VBC 接面逆

向 Vbc lt 05V順向接面會有擴散電流空乏區小而逆向接面會

有漂移電流空乏區大空乏區內只有游離的雜質離子載子進入後

不久後會游離在補充了游離載子同時另一端已經游離載子則會離

開空乏區以保持空乏區是電中性Ie 電流大部分流過 Ic少部分

由 Ib 流出

3-6-3 類型

電晶體種類很多依工作原理可粗分為雙極性接面電晶體

(bipolar junctiontransistorBJT) 和場效電晶體(field effect transistor

FET)

19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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19

圖 3-6-1 穿孔的電晶體[15]

圖 3-6-2 PNP 型NPN 型電晶體迴路記號[15]

3-7 三用電表

三用電表一種多用途電子測量儀器一般包含安培計電

壓表歐姆計等功能有時也稱為萬用計多用計多用電表或三

用電表

3-7-1 概要

三用電表有用於基本故障診斷的攜帶型裝置 也有放置在工

作台的裝置 有的解析度可以達到七八位數 這樣的設備 在實驗

20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

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光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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[16] 電阻網站 httpsuncisscuedutw~labknowledgerhtm

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20

室很常見 一般被用作電壓或電阻的基準 或用來調校多功能標準

器的性能

3-7-2 基本功能

電流電壓和電阻的測量 一般被視為萬用計的基本功能

早期三用表製造廠商 AVO 的品牌 就是該設備能夠測量的這三種

度量單位的名稱的縮寫 安培 (Ampere)伏特 (Volt)歐姆

(Ohm)現在的新設備 可以測量更多的度量 一些常見的附加功能

及其測量的度量單位包括

bull 電感（亨利）

bull 電容（法拉）

bull 電導（西門）

bull 溫度（攝氏度）

bull 頻率（赫茲）

bull 工作周期Duty cycle（百分率）

3-7-3 種類

三用表有類比和數位兩種早期的三用表 使用磁石偏轉指

針的錶盤 與經典的電流計相同現代則採用 LCD 或 VFD（真空螢

21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

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動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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21

光顯示器Vacuum fluorescent display）提供的數位顯示類比三用

電表在二手市場上不難找到但它不太精確這是因為調零和從儀錶

面板上準確的讀數都容易產生偏差有的類比三用表 使用真空管來

放大輸入的信號 這種設計的萬用計也被稱為真空管伏特計

（VTVMVacuum Tube Volt Meters）或真空管三用表（VTMM

Vacuum Tube Multimeters）現代三用電表已全部數位化並被專稱

為數位三用電表（DMMDigital MultiMeter）在這種設備中被測

量信號被轉換成數位電壓並被數位的前置放大器放大然後由數位顯

示屏直接顯示該值這樣就避免了在讀數時視差帶來的偏差同樣

更好的電路系統和電子學 也提高了測量精度舊的類比儀錶的基本

精度在 5到 10之間現代便攜數位三用電表則可以達到plusmn0025

而工作台設備更高達百萬分之一的精度

22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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ITA 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 JPN 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22

圖 3-7-1 上海第四儀錶廠 60 年代三用電表[15]

圖 3-7-2 數位式三用電表[15]

3-8 光伏電池板

用太陽光照射光伏電池板產生熱能而轉換成電能取之不

盡用之不竭的可再生綠色新能源環保又時尚單片 9V50mA

23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

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現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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23

圖 3-8 光伏電池板

3-9 充電電池

電池不是主角但是沒有電池機械就是動不起來電池的

電壓電流電量體積充電時間壽命都是要關切的問題所有

的汽車引擎室裡也都有一個12 伏特的蓄電池您平常也許很少注意

到它但車上所有電器的電力包括引擎啟動馬達點火系統控制

電腦乃至於車內響頭燈雨刷等等等都要靠這顆蓄電池來提供

電力您知道沒有汽油汽車會跑沒有電汽車同樣動不了

電池最早是西元1800 年左右一位叫作伏塔(Volta)的先生發明的到

24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

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的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

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5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

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動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

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原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

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圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

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圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

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VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

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圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

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圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ESP 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FRA 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24

現在兩百年但其中的化學原理其實沒什麼改變

圖3-9-1 12V充電電池 圖3-9-2 9V充電電池

3-9-1 電池種類

電池進一步分類又可分為「一次電池」與「二次電池」

一次電池使用過後其壽命終止無法重覆充電使用如 鹼性電池

二次電池可重覆充電使用如 鎳氫鋰離子電池等

常見之電池種類如下

化學電池

一次電池錳乾電池鹼性電池氧化銀電池水銀電池

鋰電池空氣電池

二次電池鎳鎘電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池

鋰高分子電池燃料電池

物理電池太陽能電池

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3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

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3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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25

3-9-2 電池原理

當兩種不同的金屬浸於電解液中時便形成一個電池

儲存於原子間的化學能 藉由化學反應轉換為電能

在圖中

硫酸 H2SO4會腐蝕銅電極於是銅離子 Cu++會溶入電解液

中 形成 帶負電的銅電極但是鋅比Cu更容易腐蝕（溶入更大量

的 Zn++）留下帶更多負電的 鋅電極

銅電極的電位比電解液H2SO4 低但是鋅電極電位更低很

多於是銅與鋅兩電極間形成電位差銅的電位是+034V 而鋅的電

位是-076V於是銅mdash鋅兩電極間所能輸出的最大的電壓便是

+11V

圖3-9-3 電池原理[14]

26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

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圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

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VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

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圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

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圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

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3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

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3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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26

3-9-3 電池標示意義

Ah容量A表示電流(安培)h表示ldquo小時Ah表示蓄電

池的容量小容量電池常用mAh即毫安培小時

Li-ion代表該電池所使用的材質如下表

表 3-9 電池所用材料[13]

3-9-4 電池特性定義

公稱容量(Ah) 指電池放電時的放電電流(A)大小與放電時

間(h)的長短之積A為安培 h為小時1A=1000mA

註一般電池所標示的容量均為以20小時放電率為基準例如容量

為50Ah的蓄電池表示該電池可以以5A的電流放電10小時稱為10

小時放電率也可以以10A的電流放電5小時稱為5小時放電率放

電速度過快電池會發熱對電池壽命有一定的影響 充電也是這

樣一般充電速度用10小時率的電流充電

最大放電電流指在60秒內所承受的最大放電電流此電流

以公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為3C即公稱容量安培數

27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

參考文獻

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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents for quality printing on desktop printers and proofers Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 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27

的三倍

最大充電電流指在電池充電時的最大充電電流此電流以

公稱容量安培數的倍數為單位例如標示為03C即公稱容量安培

數的03倍

循環壽命電池循環用時放電充電為一個循環電池循環

壽命（循環次數）與電池的放電深度電池周圍環境和充電方法有密

切關係以鉛酸電池為例當放電深度100時循環次數約300次當

放電深度30時循環次數約1000次(25)自放電充電後的電池若經

長期儲存其容量將逐漸減少並成為放電狀態此種現象稱為自放

電且這現象是無法避免的即使電池未使用過也會因電池內部起

化學及電化學反應而造成自行放電自放電速度與儲存溫度有著密切

的關係

電池老化意指電池內部阻抗上昇二倍以上

3-9-5 電池應用

放電終止電壓電池不宜放電至低於預定的終止電壓(85)

否則將導致過放電 而反復的過放電則會導致容量難以恢復為達

到最好的工作效率和最長的使用壽命放電應在 005-3C 之間多

數電池在放電過程中會產生氫氣故必須在通風良好環境下使用

溫度作用電池容量亦受溫度的影響過低溫度（低於－15

28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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ITA 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 JPN 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28

5 ）則會降低有效容量過高溫度（高於 50 122 ）則會

導致熱失控並損害電池

實際應用時通常以一顆電池或數顆電池串並聯組成一電池

組視該電子產品需求而定

各類型的電池有不同的電氣特性及優缺點並無一種電池可

滿足所有電子產品所使用選擇一適用的電池來應用才能發揮該電

池的效能並且新舊電池不要混著使用

3-10 開關及電池裝置

開關為 2段式按鈕型可依使用者需求選擇使用太陽能

電池等二種模式方便使用電池採用 3 號充電電池和 9V 充電電池

使用 4顆且串聯方式

另一種為 2 段式按鈕開關依使用者需求可選擇開啟或關

閉電池採用 3號充電電池並聯的方式

3-11 電阻

電能電功率電流及電壓等皆是最重要的電之數量除

此之外電阻也 不可忽視一個電路或一套裝備其本身的特性

諸如尺寸形狀與材質等會 影響其電流量某些會阻礙電流的效

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應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

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動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

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3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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29

應可稱之為電阻（resistance）

在物質中電荷流動可能會遭遇到類似機械的摩擦力般的阻

力這種阻力是 起因於電子與晶格原子或雜質原子之間的碰撞這

種情況會使電能轉換成熱能 任何電路或裝置常因發熱而消耗電

功率電阻發熱而消耗電功率並非一無是 處需視其是否有用而

定有些電路就是利用電阻的特性來作功的例如我們可 利用電熱

器取得熱能但是電晶體發熱則非吾人所需就屬於能量的浪費了

電阻可用來限制電流量也可用來調整電壓還有其他的一些功

能專門製 造用來作這些工作的器具稱為電阻器（resistor）

3-11-1 電阻的定義

一電路欲阻止電流通過同時使電能轉換為熱能之性質謂

之電阻電阻以 表示單位為歐姆或簡稱歐以希臘字母Ω（omega）

表示導體內部有大量 的自由電子當電壓施於導體的兩端時會

導致電流的產生但此一電流不可能 無限制的增加此乃因為當電

荷流經某一材料時必承受其電阻此種阻力被消 耗轉變成為熱能

了

30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

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30

3-11-2 電阻的種類

(1)各種物質之電阻

各種物質均有大小不等的電阻值因其電阻之不同可分別

歸屬於導體絕緣 體不良導體及半導體四種材料

(2)絕緣電阻

絕緣體有阻止電流通過的特性但若加上高電壓時會有少

許的漏電流流過絕 緣體的內部或表面絕緣電阻是阻止漏電流通過

的能力阻值愈大愈好通常 以百萬歐（MΩ）計絕緣電阻會因

材質劣化表面附著之有機物塵埃及水 滴等而減小

(3)電解液電阻

將蒸餾水加入容器內直流電源接上時幾乎沒有電流流通

但若在蒸餾水中 加入少許食鹽的話就有電流了食鹽濃度愈高則

電流量愈大溶液中之食鹽 （NaCl）因電離而分解成鈉離子（Na+）

及氯離子（Cl-）類此狀態之溶滌稱 為電解液如食鹽能分解成離

子者稱為電解質量度電解液之電阻時必須使 用交流電源以防止

極化作用之影響

(4)接地電阻

將銅板埋入大地內（接地）加上電壓後電流如箭頭方向流

31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

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3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

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5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

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4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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ITA 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 JPN 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 SUO 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31

動如此意謂地 球是一個大導體銅板與大地間之電阻稱為接地電

阻其阻質與土質水分與 含電解質的程度有關

(5)接觸電阻

電路之開關使電流通斷開關的刀片（A）與夾片（B）若無

完全密接時即有接 觸電阻存在接觸電阻大時電流不易流通接

觸部分容易發熱而引起故障

3-11-3 電阻標準值與標準色碼

電阻之製造者與使用者均認為不可能致出任意不同電阻直的

電阻器且一般 電路之設計無需極精確的電阻值允許有限度的誤

差值可使價格降低且更換零件 較為迅速因此製造廠商只選擇製

造某些特定電阻值的固定電阻器以供使用 下圖為電子工業界認定

標準化之額定電阻值自 01Ω至 22MΩ 有 201 種

表 3-11 電阻值[15]

32

3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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ESP 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FRA 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3-12 二極體概論

二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者而它的一些原理

與特性卻是構成 其他半導體元件的基石所以我們在此漸近且詳盡

地介紹半導體的特性以下分成各小來說明

圖 3-12-1 二極體[15]

3-12-1 純半導體

在化學元素中原子最外層軌道上的電子我們稱之為價電

子而常用的半導體材料為矽（silicon Si）和鍺（germaniun Ge）最

外層軌道都具有四個價電 子每一原子為了保持電性及化學特性最

穩定狀態最外層具有８個價電子 並且這８個價電子是成對的與

鄰近的四個原子共有的這成對的電子吾人稱它叫

共價鍵如下圖(3-12-2)所示

電子被束縳於共價鍵以玫純半導體不導電但是當溫度高

於絕對零度時 電子因吸收能量而使之運動速度加度加大甚至部

分電子脫離共價鍵成為帶 負的自由電子電子脫離共價鍵後在

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原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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33

原位留下一個空位而且原子就成為帶正 電荷的正離子所以這個

空位我們稱之為帶正電荷的電洞(如圖 3-12-3)

在室溫下矽和鍺都有少許自由電子存在故其具有導電能

力導電係數 介於絕緣體和導體之間

圖 3-12-2 共價鍵 [15] 圖 3-12-3帶正電負荷的電洞[15]

3-12-2 N 型半導體

若純半導體中摻入五價元素由於價電子間會互相結合形成

共價鍵而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電

子此半導體稱之為 N 型半 導體由於摻入丕價元素後電子數全增

加故五價元素稱為施體(如圖 3-12-4)

34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

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圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

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圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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34

圖 3-12-4 五價元素[15]

在Ｎ型半導體中自由電子佔大多數故稱多數載子相對

的因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數所以電洞在Ｎ

型半導體中稱為少數載子 因摻入五價雜質自由電子數加以致

半導體的導電率提高而電阻值下降

3-12-3 P 型半導體

相對於 N 型半導體當在純矽中摻入三價元素的雜質使得

每個矽原子與 三價雜質結合產生共價鍵時便缺少一電子也就是

多一個電洞如此半導體稱 之為 P 型半導體由於加入三元素半

導體原子中空位增多故稱三價元素為受體(如圖 3-12-5)

35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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35

圖 3-12-5 三價元素[15]

（１）在 P 型半導體中多數載子為電洞少數載子電子

（２）P 型半導體也因多數載子比純半導體多以致導電率提

高而電阻值下降

3-12-4 P－N 接合

P 型半導體與 N 型半導體接合後便成為二極體在剛接合時

接面處電子 與電洞相結合造成在靠近接面處的Ｎ型半導體失去電

子後變成正離子而 P 型 半導體失去電洞後變成負離子此時正離

子排斥電洞負離子排斥電子因而阻 止了電子與電洞繼續結合

達到平衡狀態維持了小宇宙的和諧

在 P-N 接面附近有一區域沒有自由載子為電子與電洞只

有帶正負電 的離子此區域吾人稱之為位能障壁（potential barrier）

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VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

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圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

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圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

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3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

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3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

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現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

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3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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36

VB一般而言鍺的 P-N 接面位能障壁為０２V而矽為０６V

如圖下所示(3-12-6)

圖 3-12-6 P-N 接面[15]

3-12-5 順向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 P 極而將負端接到 N

極就構成二極體的順向偏壓圖 3-12-7 所示

37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

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3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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ITA 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 JPN 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37

圖 3-12-7 二極體順向偏壓[15]

外加偏壓克服了 P-N 接面的位能障壁使自由電子由電源的

負極經過二 極體的 N 極很容易地通過接面與 P 極的多數載子－－

電洞復合變成價電子 通過 P 極到達電源的正端以致產生大量

的順向電流

3-12-6 逆向偏壓

當外加真流電源的正端接到二極體的 N 極而將負端接到 P

極就構成了二極體的逆向偏壓如下圖(3-12-8)所示

38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

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3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

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3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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ITA 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 JPN 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38

圖 3-12-8 二極體逆向偏壓[15]

二極體在逆向偏壓下使Ｎ型區的自由電子遠離接面而移動

至電壓正端 Ｐ型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端結果ｎ

極的正離子與ｐ極的負離子 增加空乏區也隨之加寬直到位能障

壁的電位差等於外加電壓為止

此時Ｐ極與Ｎ極的少數載子因熱能而有限地增加產生的逆

向電流很微小 通常以飽和電流（saturation currentIs）來表示

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3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

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3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

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易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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39

3-13 光敏電阻

光敏電阻是一種特殊的電阻簡稱光電阻又名光導管它

的電阻和光線的強弱有直接關係光強度增加則電阻減小光強度

減小則電阻增大

3-13-1 原理

當有光線照射時電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激

發成為自由電子所以光線越強產生的自由電子也就越多電阻

就會越小

暗電阻當電阻在完全沒有光線照射的狀態下（室溫）稱

這時的電阻值為暗電阻（當電阻值穩定不變時例如 01M 歐姆）

與暗電阻相對應的電流為暗電流

亮電阻當電阻在充足光線照射的狀態下（室溫）稱這時

的電阻值為亮電阻（當電阻值穩定不變時例如 1K 歐姆）與亮電

阻相對應的電流為亮電流

而光電流 = 亮電流 - 暗電流

我們當然希望光敏電阻的靈敏度較高也就是說光電流較大

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3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

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現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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FRA 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40

3-13-2 優缺點

優點

1內部的光電效應和電極無關即可以使用直流電源

2靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關

缺點

1受溫度影響較大

2響應速度不快

3是耗材

3-13-3 應用

光敏電阻常用硫化鎘（CdS）製成並且通常應用於路燈照

明光線黑暗時路燈即亮

3-14 發光二極體

發光二極體（Light Emitting Diode LED）是一種半導體元

件初時多用作為指示燈顯示板等隨著白光發光二極體的出現

也被用作照明它是 21 世紀的新型光源具有效率高壽命長不

41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

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現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

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3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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41

易破損等傳統光源無法與之比較的優點加正向電壓時發光二極體

能發出單色不連續的光這是電致發光效應的一種改變所採用的

半導體材料的化學組成成分可使發光二極體發出在近紫外線可見

光或紅外線的光

1955 年美國無線電公司（Radio Corporation of America）的

魯賓middot布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵(GaAs)及其

他半導體合金的紅外放射作用1962 年通用電氣公司的尼克middot何倫

亞克（Nick Holonyak Jr）開發出第一種實際應用的可見光發光二極

體

3-14-1 優缺點

優點

1發光效率高 2反應時間快

3使用壽命長 4不易破損

5耗電量少 6環保無汞

7體積小 8可應用在低溫環境

9光源具方向性 10造成光害少

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11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

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它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

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現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

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3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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42

11色域豐富

缺點

1散熱問題如果散熱不佳會大幅縮短壽命

除非購買高級產品否則省電性還是輸螢光燈（冷陰極管

CCFL）有些 LED 的省電性也輸給省電燈泡

2初期成本較高因光源屬於方向性燈具設計需考量光學

特性

3-14-2 原理

發光二極體是一種特殊的二極體和普通的二極體一樣發

光二極體由半導體晶片組成這些半導體材料會預先透過注入或攙雜

等工藝以產生 pn 架構與其它二極體一樣發光二極體中電流可

以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（負極）而相反方向則不能兩

種不同的載流子電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向

pn 架構當電洞和電子相遇而產生複合電子會跌落到較低的能

階同時以光子的模式釋放出能量

43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

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現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

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3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

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5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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43

它所發出的光的波長（決定顏色）是由組成 pn 架構的半導體物

料的禁帶能量決定由於矽和鍺是間接帶隙材料在這些材料在常溫

下電子與電洞的複合是非輻射躍遷此類躍遷沒有釋出光子所以矽

和鍺二極體不能發光但在極低溫的特定溫度下則會發光必須在特

殊角度下才可發現而該發光的亮度不明顯發光二極體所用的材料

都是直接帶隙型的這些禁帶能量對應著近紅外線可見光或近紫

外線波段的光能量

發展初期採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線

或紅光隨著材料科學的進步各種顏色的發光二極體現今皆可製

造

3-14-3 藍光與白光發光二極體

1993 年當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的

中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵

（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED這

類 LED 在 1990 年代後期得到廣泛應用理論上藍光 LED 結合原有的

紅光 LED 和綠光 LED 可產生白光但現時生產的白光 LED 卻很少

是這樣製造出來的

44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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[16] 電阻網站 httpsuncisscuedutw~labknowledgerhtm

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44

現時生產的白光 LED 大部分是透過在藍光 LED(near-UV波

長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的這種黃色

磷光體通常是透過把摻了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+YAG)晶體磨成粉末

後混合在一種稠密的黏合劑中而製成的當 LED 晶片發出藍光時

部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個以黃色的光為主的較

寬光譜（光譜中心約為 580nm）(實際上單晶的摻鈰(Ce)的 YAG

被視為閃爍器多於磷光體)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受

體再混合 LED 本身的藍光使它看起來就像白色光而其所呈現

的色澤常被稱作「月光的白色」這種製作白光 LED 的方法是由日

亞化工所開發並從 1996 年開始用在生產白光 LED 上 若要調校

淡黃色光的顏色可用其他稀釋金屬鋱或釓取代 Ce3+YAG 中摻入的

鈰(Ce)甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部鋁的模式做到

而基於其光譜的特性紅色和綠色的物件在這種 LED 照射下

看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明

圖 3-14-1 藍光 LED[13]

45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

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3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

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5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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45

3-14-4 LED 的使用

LED 與沒有極性的白熾燈不同只能在正向電流流過時才能

發光當加電壓為正向時會有較大的電流流過於是我們稱之為順

向偏壓如果電壓極性接反了則被稱為逆向偏壓這時只有很小電

流流過器件並且不發光LED 可以工作在交流電壓下但只有正

向電壓能使它被點亮這會導致 LED 以該交流電的頻率閃爍

圖 3-14-2 LED 之原理圖[13]

3-14-5 LED 應用

發光二極體被用於各式嵌入式系統的訊息指示器

1狀態指示燈

2連續指示燈

46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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46

3應急車輛上的發光條

4機場和火車站的輕薄型消息顯示板以及用於火車汽車

電車以及渡輪的終點顯示牌

5紅光或黃光 LED 被用於需要保持夜間視覺環境下的指示

器

6紅光 LED 的字母數字顯示器

7紅黃綠和藍光 LED 可用於鐵路建設模型

8白光可以應用於照明如路燈隧道燈手電筒

9LED 能作液晶電視的動態背光模組

用於傳送數碼訊息

1電視機錄影機等家電的遙控器使用了紅外線發光二極

體

2光纖通訊

3排列成點矩陣用以顯示訊息

4交通燈取代有色燈泡

47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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47

5位移探測器例如光學鼠標

第四章 組裝步驟與成品

4-1 組裝步驟

將頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環LED 燈泡

光敏電阻光伏電池板安全帽帽沿開關及電池裝置等等零件準備

好後依照下列步驟開始組裝

1模擬-光敏電阻光伏電池板LED 燈泡開關及電池裝置裸裝

看電路是否成功

2鑽孔-將頭盔帽體及吸收衝擊墊依照 IVS 系統設計來鑽通孔

3挖溝槽-規劃電路圖在吸收衝擊墊位置後挖出電路板及電池裝置

大小的溝槽

4固定-把吸收衝擊墊裝入頭盔帽體並用保利龍膠固定須要注意兩

者鑽孔位置是否一致

5連接線路-把光伏電池板電路板開關及電池裝置放進吸收衝擊

墊

6組裝-最後將外觀的可拆式襯墊扣環安全帽帽沿組裝

48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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48

4-2 成品拍攝

經過頭盔帽體吸收衝擊墊可拆式襯墊扣環鏡片迷你

風扇光伏電池板電容開關及電池裝置等等零件組裝後以下為

實際完成品拍攝圖片

圖 4-1-1 成品正視

49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

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第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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49

圖 4-1-2 成品後視

圖 4-1-3 成品上視

50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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50

圖 4-1-4 成品右側視

圖 4-1-5 成品左側視

51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

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第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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51

圖 4-1-6 夜間成品前視

圖 4-1-7 夜間成品後視

52

第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

53

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第五章 結論

5-1 問題討論

本專題實驗所使用的安全帽殼是由廠商提供而太陽能板和光

敏電阻是由市面上購入因此與無帽殼法達到完全密合且太陽能板

和光敏電阻並沒有保護裝置需要額外設計外殼來保護以預防太陽

能板和光敏電阻受到外力撞擊而失去功能

另外還有就是太陽能板的效能不佳導致用太陽能板來充電的

效率太低

5-2 未來展望

太陽能儲能夜間警示照明安全帽製作已達一個段落但仍有很

大發展的空間如可在安全帽上加裝方向燈和煞車燈並能和機車做結

合這樣一來在任何時後可讓對方或後方來車注意減少事故發生針

對時下年輕人設計又可以改變 LED 燈面板顯示圖案或文字不僅大

大增加行駛中安全性又有與眾不同的流行還都可用太陽能版驅動

很符合未來環保

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