数字制造讲义03-电路基础

数字制造讲义01-成为数字世界的建造者

数字制造讲义02-Arduino入门

上一节课,我们学习了时下最普及的单片机开发软硬件工具 Arduino。今天我们来了解 Arduino 开发板,以及其他电子元器件背后的基础——电路。

上次我们用 Arduino 和面包板搭了第一个简单的电路,了解到电路就是电流的通路,电流给电路中的负载输送能量,负载将电能转化为其他能量,比如💡亮起来。

电路101

如果把电流比作水流,那么电路就有点像为水流提供通路的水渠。在没有人为干预的情况下,水从高处向地处流。如果想给不同高度的地方提供用水,就需要建造水塔,或者用水泵把水从 A 处运送到 B 处。

电流也是类似。电源是电位/电压的高点,接地点是电位的零基准点,电流由两点之间的电压差形成,从电压高的地方流量电压低的地方。

在流动的过程中,河床或水渠不可能绝对平整,而是会坑坑洼洼高低起伏,这样就对水流产生了一些阻碍作用。在电路中也是类似,电阻对电路产生阻力 (通过将电能转化为热能)。

简单来说,电路有三种状态:通路,开路(某处断开)和短路。

其中短路是指,电路中有很大电流流过,但不流过负载,负载不起作用。咳咳,也就是说,在电路中走捷径是有代价的(🤦‍♀️)。

下面这个视频,可以帮助我们形成对电路更直观的印象:

Electric Circuits_腾讯视频

从电流/水流的类比中,我们总结出电路中几个基本的规律:

  • 电流趋向于电阻小的路径 (最小阻力原则)
  • 电路始终要接地 (有始有终原则)
  • 要防止短路 (有钱也不能任性原则)

电路102

串联和并联

电路有两种基本类型:串联和并联。

为什么要学这个?因为它们是计算电路中电阻、电流等数值的基础知识。比如,要点亮多个 LED,需要多少伏的电源?

当多个元件串联(下图图二)时,会平均「瓜分」掉整段串联电路两端的电压,也就是起到分压作用。当多个元件并联时(下图图三),「复制」了原本只有 1 个元件时的电压。

via tinkercad.com

再仔细观察一下,对比图一,为什么图二中的 LED 几乎没有亮?图三的 LED 为什么稍微暗一点?(图中的电阻都是 60Ω)

在图一中,我们测到点亮 LED 所需的电压约为 2V。如果要在串联电路中点亮两个 LED,那么根据「瓜分」原理,就需要提供 4V 的电压。但是图二的电池只有 3V,所以灯就点不亮啦。

在图三中,如果用万用表测量 LED 两端的电压,会发现电压只稍微下降到 1.9x V,LED 只是稍微变暗一点,接入很多 LED 也可以点亮。

欧姆定律

V = I * R

流过电阻的电流 I 与电阻两端电压 U 成正比,与电阻 R 成反比

大家对欧姆定律都不陌生。那么知道欧姆定律在这门课中,最直接的应用是什么?它帮助我们计算电路中需要用多少阻值的电阻。

在前面一部分,我们讲过要防止短路。短路的本质就是电路中有很大的电流通过,这样会烧坏电路元件。电阻的作用是限制电流的大小,保护元件,保持电路正常运作。

比如一个 LED 的额定电流是 20 mA,我们手头只有一个 9V 电池。

如果要保证 LED 安全,电路的阻值应该为 9V / 0.02A=450Ω 。这样我们就知道应该选择多少阻值的电阻加入到电路中了。

基尔霍夫定律

基尔霍夫定律?有什么用?

我们已经有欧姆定律了,为什么还需要多一个定律?因为电路也是会变得很复杂的嗯,比如有多个电池并联,比如要在电阻电路中加入电容(下一节会介绍),那该怎么计算其中的电流与电压?

19世纪,德国物理学家基尔霍夫扩展了欧姆定律,提出基尔霍夫定律:

Crash Course Physics 31_腾讯视频

基尔霍夫第一定律(电流定律)

在任何一个节点电路,流入该节点的总和电流,等于流出该节点的电流的总和,或:所有进入某节点的电流总和,等于所有离开这节点的电流总和。

power: P = I2 , R = I V

基尔霍夫第二定律(电压定律)

沿着闭合回路所有元件两端的电势差(电压)的代数和等于零。或者,所有电动势的代数和,等于所有电压降的代数和。

基本电路元件

它们在电路图中的表示方法:

电阻

电阻的主要作用是限制电流。

不同的电路需要选择不同形态的电阻:DIP,SIP,SMD。

DIP(dual in-line package),两头都有引脚的电阻,是入门时使用的常见电阻。

这种电阻的阻值一般通过彩色的色环识别。有 4 环和 5 环两种标记方法,一般是记不住的,手头备一张色环卡比较实在:

第一、二环是读数,第三环(五环的话是第四环)是乘数,比如 红-红-棕 表示 220 V。

SIP (single in-line package),一头有引脚的电阻:

SMD (Surface Mounted Device),贴片电阻,用于常见的 PCB 电路板:

电容

电容又是什么?

顾名思义,可以作为电荷容器的一种元件。

  • 充放电特性:电容将电路中的电荷收集起来,然后在电压变化时放电。
  • 阻直通交特性:阻止直流电流通过,允许交流电流通过(像个交警)

电容试图抵抗电路内的电压变化。因此,电容通常连接在电源和地之间,以保持稳定的电源并滤除间歇性的电压尖峰和下降。

其他元件就不继续一一介绍了。元件外型可以到 Explore/3DModels | library.io 查看,元件的参数可以找到对应的 datasheet 查看。

电路图

电路图就是将各种元件连接起来组成完整电路的图示。

运用前面学过的知识,我们可以开始搭建电路图。在实际接线之前,建议先用工具画出接线图,可以帮助我们理清电路的功能和部件。推荐使用 Tinkercad 的 circuit 模块,网站上提供了一些常用的电路元件,方便快速搭建出虚拟电路。

更棒的是,它还提供了电路模拟运行的功能,分析电路中可能出现的问题,尤其是存在短路时会明确提示。这样就再也不用担心电路接不好会频繁烧坏元件了!✌️

更让人开心的是,还集成了 Arduino 的模块功能,让没有编程基础的使用者,也能快速上手编写简易程序:

去试试看吧~ 👀

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