一文拿下模拟电路(上)

写在前面

由于篇幅原因,不得不将模拟电路分为上下两个篇章,其中上篇为基础篇,下篇为进阶篇,零基础小白若想要真正弄懂模拟电路,建议上下篇配合使用,此篇为上篇,下篇为《一文拿下模拟电路(下)》。

模拟电路基础

理论基础

电流

所谓电流,就是电子移动的过程。电流的单位为安培(A),当1秒钟有6.2415093x10^8个元电荷通过横截面,这样形成的电流就是1A。

元电荷是电荷量的最小不可分割单位,所有带电物体的电荷量都是元电荷的整数倍,电子就携带着一元电荷

电路与电池

电路,就是电流导通的道路。而电池是一种特殊的通过化学反应产生能量的装置,电池正极吸收电子,电池负极发送电子。

电流的方向:电流(即电子流),其实是从负极流向正极,但传统电学上认为电流是从正极流向负极,许多的电学理论也是基于整个观点才建立的,虽然这并不会有什么影响,但是我们在实际工作中,还是要知道这一点。

开路与闭路:

• 开路就是电路断开了,在这种情况下,电流是无法导通的,电路上的设备也无法工作。
• 闭路就是电路闭合,在这种情况下,电流是可以导通的,电路上的设备也可以工作。

直流电与交流电

电流在生活中有两种类型，分别是直流电和交流电。

• 交流电(AC):交流电的电流方向随时间变化而变化,电荷会在正负两个方向上流动,周期性的交替反向,交流电通常是通过电网来供应的电力,用于各种大型的较大功耗的电器设备和机械设备当中(如电视机,冰箱,洗衣机等)
• 直流电(DC):直流电是指电流方向不变的电流,电荷始终在同一方向上流动,直流电源通常由电池或其他直流电源供应,直流电常用于需要稳定电压和恒定方向的小型设备当中(如手机,电动自行车等)

在远距离传输电的情况下,电压越高,电流在导线上的损失就越小,这也是为什么发电厂要用交流电的原因,通过拉高电压,进行远距离电流传输,在通过变电器,将电压降到220V,流向附近居民区。

电压

电压就是电势能,电势能是指电子在电路中的动能,单位是伏特(V)。电压是电力系统中的一种重要概念,它决定着电流流动的强度,电压越高,电子移动速度就越快,电流就会越大,反之电流越小。

电源电压是指电源正极和电源负极之间的电势能之差。

电子元器件的驱动电压是指该元器件能正常工作的最低电压。

压降指的是电流流过导体（如电线、电阻、半导体器件等）或元器件时，在该导体或元器件两端产生的电压降低或损失(此时的负极可以看作是0电势能，即0电压)，压降其实就是电流流经的导体或元器件所要分走的电压的具体的值(一定要有电流流过，才能有压降，才能分压)。

耐压指的是绝缘材料、元器件或设备在不被击穿、损坏或发生危险的前提下，能够安全承受的最高电压。

欧姆定律

电压会产生电势差，电势差会推动电流(电子流)的流动(从电势高的地方流向电势低的地方),这种推动的能量便是电势能。

电阻是指电流流经导体时,阻碍电流流动的程度,它的单位是欧姆,简单来说,阻碍电流流动的就叫电阻。

串联与并联·

所谓串联与并联是指电路的两种形式,它们各自的电流与电压,电阻的关系如上图所示。

如何选择与购买指定电子元器件

1.进入立创商城_,在搜索框内输入你要查看或购买的电子元器件型号。

2. 找到你想要的电子元器件,查看它对应的数据手册(相当于说明书)

3.下载并打开数据手册,查看该电子元器件的信息。

如上图,其他电子元件按照此方法进行查看,重点关注最大电压和工作电流,算电阻,就拿工作电流和最大电压来算。

常见电子元器件

一般的直插式电子元器件都会有引脚,如果你发现这个引脚一根长,另一根短,则说明该元器件是有正负极的(不是所有元器件都有正负极),一般情况下,长引脚为正极,短引脚为负极。

LED灯又叫发光二极管，当电压大于LED的驱动电压时,LED的亮度与电流的大小成正相关，LED的工作电流为0~40mA，理想状态的电流为10~20mA

数码管

数码管是由长形的LED所构成,接入不同的引脚从而使不同的LED灯被点亮,进而呈现出不同的数字。

扬声器

扬声器是一种电子元器件,它可以将周期性的电信号转换成声音，传播出来。

给扬声器输入交流电，交流电产生磁场,磁场与永磁体相互吸引或者相互排斥，从而带动震膜振动，进而发出声音。

麦克风

麦克风是一种电子元器件,它可以将声音的振动转换成电阻值的变化，通过阻值的变化，从而控制输出的电流。

按键

按键也是电路的一部分,按键按下，电路导通，按键放开，电路断开。

干簧管

干簧管是一种磁感器件,当磁铁靠近时，其内部就会导通，当磁铁远离时,其内部就会断开。

电阻器

电阻器是一种电子元器件,它可以提供一定的电阻,限制电流的流动。电子不再流动或者流动减慢,那么其蕴含的动能就会以热能的形式散发出来,因此,电阻最重要的作用就是发热。

任何物体都有电阻性,只是强弱各有不同,电线本身也具有电阻性,如果你的电线足够长,那么电线本身也就相当于一个电阻器了,如上图的薄膜电阻,其实就是将导线一圈一圈地绕在了一起,从而形成了一个电阻。

很多的家用电器就是将很长的导线布局一下,从而整体形成电阻的效果。

电阻,我们主要关心:封装,标称,额定功率这三个指标。

• 封装: 看看电阻是什么样的,是直插还是贴片,长宽多少。
• 标称: 看电阻上,官方标识的该电阻阻值是多少,精度(即误差范围)是多少,精度越高,价格越贵。
• 额定功率:额定功率决定了电阻的耐压值(即能承受多大电压),功率越大,耐压值越高,一旦超过了电阻的耐压值,就会导致电阻被烧毁。因为U=I * R,所以耐压值也决定着该电阻最大能通过多少安培(A)的电流。

电阻的识别

一般普通的电阻上都会有色环来进行标注，以表示该电阻的阻值。

普通电阻根据其上面标注的色环环数，又可分为5环电阻和4环电阻。

如上图，4702 表示 电阻值为470 x 10^2 欧姆,精度表示阻值误差的范围。

如上图，100 表示 电阻值为10 x 10^0 欧姆,精度表示阻值误差的范围。

特别注意一下 贴片电阻的阻值识别:

常用电阻阻值以及如何选择

市面上常用的电阻阻值主要有以下一些:

那么，我们应该如何去选择呢?答案是根据不同的电路去选择对应的阻值，一般可以根据经验去大致的确认阻值范围:

电容器

电容器,就是一个装电的容器,主要用来存储电荷和能量。当电容接入电路时,相当于给电容充电,正负电荷分别被存储在了两块导体板上,两块板子之间是一些特殊的介质材料,因为板子上各有正负电荷,所以板子之间形成了电场,存在电压。

电容器的单位是法拉(F),当电容离开电路后,它就会开始放电,即两边板子上的正负电荷开始逐渐流失。

电容器的作用:防止电压突变,储存电能,滤波(大电容过滤低频电信号,小电容过滤高频电信号)

• 防止电压突变:电容主要起缓冲的作用,比如突然地断电,这个时候电容就会开始放电,继续为电路上的电器供电,直到电荷全部流失,这样的话,电气的电压会在电容的影响下逐渐降低,直至为0。
• 储存电能:电容充电就是在存储电能。
• 滤波-高频:高频(电压高)电信号,它的电流就要高于电路中正常的电流,这个时候,电容就会出来吸收掉超出部分的电流,使该信号的电流降至正常水平(相当于给电容充电)
• 滤波-低频: 低频(电压低)电信号,它的电流就要低于电路中正常的电流,这个时候,电容就会出来释放电流,使该信号的电流提升至正常水平(相当于电容放电)

总之电容会存储电能,并根据电流的大小自动充电和放电,维持电路中电压的稳定。

电容并联，能够使整体容量增大，而电容串联，能够增加整体的耐压值。

电容充放电时，相当于电路导通状态，电容停止充放电时，相当于电路断开状态，这也就是为什么电容能够通直流阻交流:

当通过直流电时，电容会先充电，此时电路导通，当充电完成时，因为直流电的方向是不会改变的，因此电路断开，总体上来看，电路是断开的(电容充电很快)，这就叫阻直流。

当通过交流电时，由于电流方向会频繁的改变，所以电容就一直处在充放电的状态，这就造成了电路始终导通的情况，这就叫通交流。

电感器

电生磁,磁也能生电,电与磁是可以相互转换的。电机就是将电能转化成机械能,而发电机是将机械能转换成电能。

电感器是一种电子元件,它通常是由线圈组成,用于在电路中存储能量和释放能量。当电流经过电感器的时候,他会在线圈中产生一个磁场,从而存储能量(电生磁),当电流停止流动时,磁场就会消失,从而释放能量(磁生电)。

电感器的作用:防止电流突变。电流突然增大,磁场就会增大(电生磁),磁场增大，电感产生反向电压(磁生电),阻碍电流增大,多余能量由电能变为了磁能,反之,电流突然减小,磁场就会减小(电生磁),磁场减小,电感产生正向电压(磁生电),防止电流骤降,多余能量由磁能变为了电能。

电感器单位是亨利(H),其实电感器的作用与电容器是极度相似的,只有些许的不同。

电感器与电容器区别:

• 电感器是通直流电,阻交流电,而电容器是通交流电,阻直流电。
• 电感器是存储电流,而电容器是存储电压。
• 电感器与电容器常常要配合起来使用。

熔断器，保险丝

保险丝和熔断器是用来保护电路免受过载或短路等电气故障的设备。当电路中通过的电流过大，导致导线温度过高，这个时候保险丝就会被加热熔断,从而中断电路,保护电路上的其他电器安全。熔断器与保险丝的作用相同,但是熔断器可以重复使用,而保险丝却是一次性的。

过载:当电路中的电流过大,超过了导线或电阻的耐压值(导线也有电阻性),导致温度过高,甚至起火,从而使得电路被破坏或发生危险。

接插件

排针排母:常用于开发板上,能够很方便地通过杜邦线来相互连接。

杜邦线:公头是针,母头是洞,常用于连接排针排母。

开关:控制电路的打开与关闭。

板对板连接器:用于连接不同的电路板。

香蕉头和鳄鱼夹:方便接插。

IC插座:方便更换IC芯片

以上介绍的接插件只是很少的一部分,具体详细的种类,可以去立创商城查看。

蜂鸣器

蜂鸣器:能发出哔哔哔声音的小元器件。其可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器,所谓源即震动源,有源蜂鸣器插电就叫,而无源蜂鸣器插电不叫,需要给与它一定周期的高低电压信息,它才叫。常用的蜂鸣器的声音频率大概在2~4kHz

分压器

分压器,即分压电路，其主要是通过电阻去分压,电阻越大,分得的电压就越大。

如上图所示,通过电阻,可以将电压均匀地分成几等份,然后,你就可以根据实际需求接入对应的电压。

电位器

电位器,又叫滑动电阻,我们常用电位器来控制电路的分压。

光耦

光耦（又称光隔离器或光耦合器，Optocoupler）是一种将电气信号通过光信号进行传输的电子器件。它的主要功能是隔离输入和输出部分的电气信号，同时通过光的方式传递信息，从而避免高电压部分的信号干扰或对低电压电路的影响。

光耦通常由一个发光二极管（LED）和一个光敏元件（如光电二极管、光敏晶体管等）组成。LED在输入端接收电信号并发光，而光敏元件在输出端接收光信号并将其转换为电信号。

光耦的基本工作原理是通过光电效应来实现信号传输。它通常包含两个主要部分：

发光二极管（LED）： 该部分接收输入信号，并将电信号转换为光信号。当LED接收到输入电流时，它会发出红外光。

光敏元件： 该部分位于LED的对面，通过光电效应将LED发出的光转换为电流或电压信号，输出到电路中。光敏元件的类型可以是光电二极管、光电晶体管、光敏晶体管等。

当输入信号驱动LED时，LED发出的光会照射到光敏元件上，光敏元件通过光电效应产生输出信号。由于输入和输出端之间是通过光传输的，所以光耦提供了电气隔离，从而避免了高电压部分对低电压电路的影响。

线性稳压器

线性稳压器是一种电子元件，主要用于将输入电压（通常是一个高于所需电压的直流电压）转换为稳定的输出电压。线性稳压器通过调整其内部的电阻值来实现电压稳定，主要通过消耗多余的电能以维持输出电压的稳定。它是一种简单而可靠的稳压器，广泛应用于低噪声``、高精度的电源设计中。

与开关型稳压器（如DC-DC转换器）相比，线性稳压器的工作原理更加简单，但它的效率通常较低，因为它需要通过消耗不需要的能量来实现电压降低。

线性稳压器的工作原理基于“线性调节”模式。在输入电压高于输出电压时，稳压器会通过一个可调的元件（通常是一个晶体管）来控制电流流向负载。这个过程使得多余的电压被消耗掉，从而提供稳定的输出电压。

输入电压（Vin）： 提供源电压，通常大于所需的输出电压。

输出电压（Vout）： 稳定的输出电压，通常是低于输入电压的目标电压。

反馈机制： 线性稳压器通常内置一个反馈电路，实时监测输出电压并调整工作状态以维持稳定输出。

功率损耗： 由于通过调节电压来消耗多余的能量，线性稳压器会产生一定的热量和功率损耗。

线性稳压器又叫三端稳压器，稳压管。 常用型号：L78系列：7824、7812、7809、7805等， AMS1117系列：AMS1117-5、AMS1117-3.3 XC6206(3.3V稳压器，体积最小的一款)。

毫安时与毫瓦时

毫安时(mAh)与毫瓦时(mWh)分别表示电量和能量的度量单位。

• 所谓毫安时,就是指该电器能够以多少毫安持续放电一小时。
• 所谓毫瓦时,就是指该电器能够以多少毫瓦的功率持续输出一小时。
• 1度电就是1000Wh。

如何看懂电路原理图

电路原理图就是用来表达电路原理和连接关系的图纸。其目的是为了快速，方便地搭建电路，一般来说，我们在设计电路前要先画电路图，再按照电路图来搭建实际电路。

电路图一般由以下三个部分组成:元器件，连线，标注。

各个电子元器件的画法

电阻:

电容:

三极管:

按键:

二极管/发光二极管:

蜂鸣器/扬声器:

干簧管:

电池:

光敏电阻:

电位器:

麦克风:

数码管:

热敏电阻:

导线的画法

导线:

使用网络标号连接元器件

当电路十分复杂时,我们可以使用网络标号的方式来连接电子元器件。

标注

标注的内容主要有 元器件的电气数据,参数,重点信息等，比如电池，一般标注 电压，正负极性,电阻,一般标注 电阻值，功率。

电路图中所有相同类型的电子元器件都必须要依次标号表示。

万用表的使用

万用表:是一种电子测量仪器,可用于测量电压,电阻,电流等电学量。

万用表的旋钮上不同位置对应不同的内容,不同的档位(欧姆,安培,伏特,法第),旋钮下方,有4个插孔,依次为:

• 20A : 测量安培级别的电流。
• mA: 测量毫安级别的电流。
• COM: 公共负极。
• ΩV-||- : 测量电阻,电压,电容。

使用时,只需要将黑线(负极)接到公共负极COM上,红线(正极)接到对应的插孔即可。

测电阻

• 首先,预估你要测量的电阻的大小,将旋钮调到欧姆档的预估档位,如果实在不知道,就调到20千欧姆。
• 然后,为万用表接线,黑线接公共负极COM插孔,红线接ΩV-||-插孔。
• 测量时,红黑线分别放在电阻两端,如果电阻测不出来,则说明可能是量程调小了,这时扭动旋钮,增大量程即可,如果测量出的电阻始终稳定不下来,则说明可能是量程调大了,这时扭动旋钮,减小量程即可。
• 最后,待显示屏上电阻值稳定后,读取记录屏上的数值。

注意:测量电阻时,请将电阻放在绝缘体材料上,防止整个电路短路。

测电压

测量电压的方法和步骤与测量电阻类似,不过需要特别注意的是,在电压的档位上,又可以细分为直流电压和交流电压两个档位,请根据实际需求来确定旋钮应该指向的位置。

测电流

在万用表上电流档位同样可以细分为直流电和交流电两个档位,而其对应的正极插孔也有两个,分别为20A和20mA(常用)。测量电流的方法就是将万用表接入到电路中,让电流流经万用表。