電子技術入門知識

“電子技術無處不在”，小到身邊的随身聽，大到“神舟飛船”，無一不閃現着電子技術的身影。電子技術應用于社會的衆多領域，根據應用領域的不同，電子技術可分為家庭消費電子技術（如電視機）、通信電子技術（如移動電話）、工業電子技術（如變頻器）、機械電子技術（如智能機器人控制系統）、醫療電子技術（如 B 超機）、汽車電子技術（如汽車電氣控制系統）、消費數碼電子技術（如數碼相機）和軍事科技電子技術（如導彈制導系統）等。電子工程師是指從事各類電子産品和信息系統研究、教學、産品設計、科技開發、生産和管理等工作的高級工程技術人才。電子工程師一般分為硬件電子工程師和軟件電子工程師，其中硬件電子工程師主要負責運用各種電子工具進行電子産品的裝配、測試和維修等工作，其工作是技術與手動操作的結合；軟件電子工程師主要負責分析、設計電路圖，制作印制電路闆（PCB），以及對嵌入式系統（如單片機）進行編程等工作。為了讓讀者能夠輕松快速地進入電子工程師行列，我們推出了“電子工程師自學速成”叢書，該叢書的分為“入門篇”、“提高篇”和“設計篇”3本，各書内容說明如下。《電子工程師自學速成——入門篇》的内容包括電子技術入門基礎、電子元器件（電阻器、電容器、電感器、變壓器、二極管、三極管、光電器件、電聲器件、晶閘管、場效應管、IGBT、繼電器、幹簧管、顯示器件、貼片元器件、集成電路和傳感器）、基礎電子電路、收音機與電子産品的檢修、電子測量基礎、指針萬用表、數字萬用表、信号發生器、毫伏表、示波器、頻率計和掃頻儀等。《電子工程師自學速成——提高篇》的内容包括模拟電路和數字電路兩大部分，其中模拟電路部分的内容有電路分析基礎、放大電路、放大器、諧振電路、濾波電路、振蕩器、調制電路、解調電路、變頻電路、反饋控制電路、電源電路和晶閘管電路，數字電路部分的内容有數字電路基礎、門電路、數制、編碼、邏輯代數、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖電路、D/A轉換器、A/D轉換器和半導體存儲器。《電子工程師自學速成——設計篇》的内容包括單片機技術和Protel電路繪圖設計兩大部分，其中單片機技術部分的内容有單片機入門、單片機硬件原理、單片機的開發過程、單片機編程、中斷技術、定時器/計數器、串行通信技術和接口技術Protel電路繪圖設計部分的内容有Protel軟件入門、設計電路原理圖、制作新元件、手工設計PCB、自動設計PCB和制作新元件封裝。“電子工程師自學速成”叢書主要有以下特點。◆ 基礎起點低。讀者隻需具有初中文化程度即可閱讀本套叢書。◆ 語言通俗易懂。書中少用專業化的術語，遇到較難理解的内容用形象的比喻說明，盡量避免複雜的理論分析和煩瑣的公式推導，使得圖書閱讀起來十分順暢。◆ 内容解說詳細。考慮到自學時一般無人指導，因此在本套叢書編寫過程中對書中的知識和技能進行了詳細解說，讓讀者能輕松理解所學内容。◆ 采用圖文并茂的表現方式。書中大量采用讀者喜歡的直觀形象的圖表方式表現内容，使閱讀變得非常輕松，不易産生閱讀疲勞。◆ 内容安排符合認知規律。圖書按照循序漸進、由淺入深的原則來确定各章節内容的先後順序，讀者隻需從前往後閱讀圖書，便會水到渠成。◆ 突出顯示知識要點。為了幫助讀者掌握書中的知識要點，書中用陰影和文字加粗的方法突出顯示知識要點，指示學習重點。

1. 電阻在圖1-3（a）所示電路中增加一個元器件——電阻器，發現燈光會變暗，該電路的電路圖如圖1-3（b）所示。為什麼在電路中增加了電阻器後燈光會變暗呢？ 原來電阻器對電流有一定的阻礙作用，從而使流過燈泡的電流減小，燈光變暗。

導體對電流的阻礙稱為該導體的電阻，電阻通常用字母“R”表示，電阻的單位為歐姆（簡稱歐），用“Ω”表示，比歐姆大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），它們之間的換算關系為

導體的電阻計算公式為

在上式中，L為導體的長度（單位：m），S為導體的橫截面積（單位：m2），ρ為導體的電阻率（單位：Ω·m）。不同的導體，ρ 值一般不同。表 1-1 列出了一些常見導體的電阻率（20 時）。在長度L和橫截面積S相同的情況下，電阻率越大的導體其電阻越大，例如，L、S相同的鐵導線和銅導線，鐵導線的電阻約是銅導線的 5.9 倍。由于鐵導線的電阻率較銅導線大很多，所以為了使負載得到較大電流以及減小供電線路的損耗，供電線路通常采用銅導線。表1-1 一些常見導體的電阻率（20 時）

導體的電阻除了與材料有關外，還受溫度影響。一般情況下，導體溫度越高電阻越大，例如常溫下燈泡（白熾燈）内部鎢絲的電阻很小，通電後鎢絲的溫度升到1 000 以上，其電阻急劇增大；導體溫度下降電阻減小，某些金屬材料在溫度下降到某一值時（如-109 ），電阻會突然變為0Ω，這種現象稱為超導現象，具有這種性質的材料稱為超導材料。

電位、電壓和電動勢對初學者來說較難理解，下面通過圖 1-4 所示的水流示意圖來說明這些術語。首先來分析圖1-4中的水流過程.

水泵将河中的水抽到山頂的A處，水到達A處後再流到B處，水到B處後流往C處（河中），然後水泵又将河中的水抽到A處，這樣使得水不斷循環流動。水為什麼能從A處流到B處，又從B處流到C處呢？ 這是因為A處水位較B處水位高，B處水位較C處水位高。要測量A處和B處水位的高度，必須先要找一個基準點（零點），就像測量人的身高要選擇腳底為基準點一樣，這裡以河的水面為基準（C處）。AC之間的垂直高度為A處水位的高度，用HA表示；BC之間的垂直高度為B處水位的高度，用HB表示。由于A處和B處水位高度不一樣，它們存在着水位差，該水位差用 HAB表示，它等于 A 處水位高度 HA與 B 處水位高度 HB之差，即HAB=HA-HB。為了讓A處源源不斷有水往B、C處流，需要水泵将低水位的河水抽到高處的A點，這樣做水泵是需要消耗能量的（如耗油）。1．電位電路中的電位、電壓和電動勢與上述水流情況很相似。如圖 1-5 所示，電源的正極輸出電流，流到A點，再經R1流到B點，然後通過R2流到C點，最後流到電源的負極。與圖1-4所示水流示意圖相似，圖1-5所示電路中的A、B點也有高低之分，隻不過不是水位，而稱為電位，A點電位較B點電位高。為了計算電位的高低，也需要找一個基準點作為零點，為了表明某點為零基準點，通常在該點處畫一個“⊥ ”符号，該符号稱為接地符号，接地符号處的電位規定為0V，電位單位不是米（m），而是伏特（簡稱伏），用“V”表示。在圖1-5所示電路中，以C點為0V（該點标有接地符号），A點的電位為3V，表示為VA=3V；B點電位為1V，表示為VB=1V。

1. 電壓圖1-5所示電路中的A點和B點的電位是不同的，有一定的差距，這種電位之間的差距稱為電位差，又稱電壓。A點和B點之間的電位差用UAB表示，它等于A點電位VA與B點電位VB的差，即UAB=VA-VB=3V-1V=2V。因為A點和B點電位差實際上就是電阻器R1兩端的電位差（即電壓）， R1兩端的電壓用UR1表示，所以UAB=UR1。3．電動勢為了讓電路中始終有電流流過，電源需要在内部将流到負極的電流源源不斷地“抽”到正極，使電源正極具有較高的電位，這樣正極才會輸出電流。當然，電源内部将負極的電流“抽”到正極需要消耗能量（如幹電池會消耗掉化學能）。電源消耗能量在兩極建立的電位差稱為電動勢，電動勢的單位也為伏特，圖1-5所示電路中電源的電動勢為3V。由于電源内部的電流是由負極流向正極，故電源的電動勢方向規定為從電源負極指向正極。
2. 電路有3種狀态：通路、開路和短路，這3種狀态的電路如圖1-6所示。

圖1-6 電路的3種狀态

1．通路圖1-6（a）所示電路處于通路狀态。電路處于通路狀态的特點有：電路暢通，有正常的電流流過負載，負載正常工作。2．開路圖1-6（b）所示電路處于開路狀态。電路處于開路狀态的特點有：電路斷開，無電流流過負載，負載不工作。3．短路圖1-6（c）所示電路處于短路狀态。電路處于短路狀态的特點有：電路中有很大電流流過，但電流不流過負載，負載不工作。由于電流很大，電源和導線很容易被燒壞。

1．接地接地在電子電路中應用廣泛，電路中常用圖1-7所示的符号表示接地和接機殼。為了便于初學者理解，本書将接地和接機殼統一成接地來說明。在電子電路中，接地的含義不是表示将電路連接到大地，而是有以下的意義。① 在電路中，接地符号處的電位規定為 0V。在圖1-8（a）所示電路中，A 點标有接地符号，規定A點的電位為0V。② 在電路中，标有接地符号的地方都是相通的。圖1-8（b）所示的兩個電路，雖然從形式上看不一樣，但電路的實際連接是一樣的，故兩個電路中的燈泡都會亮。

圖1-7 接地和接機殼符号

圖1-8 接地符号含義說明圖

2．屏蔽在電子設備中，為了防止某些元器件和電路工作時受到幹擾，或者為了防止某些元器件和電路在工作時産生信号幹擾其他電路的正常工作，通常對這些元器件和電路采取隔離措施，這種隔離稱為屏蔽。屏蔽常用圖1-9所示的符号表示。屏蔽的具體做法是用金屬材料（稱為屏蔽罩）将元器件或電路封閉起來，再将屏蔽罩接地。圖 1-10所示為帶有屏蔽罩的元器件和導線，外界幹擾信号無法穿過金屬屏蔽罩幹擾内部的元器件和電路。

圖1-10 帶有屏蔽罩的元器件和導線

歐姆定律是電子技術中的一個最基本的定律，反映了電路中電阻、電流和電壓之間的關系。歐姆定律的内容是：在電路中，流過電阻的電流I的大小與電阻兩端的電壓U成正比，與電阻R的大小成反比，即

也可以表示為U=IR和

為了更好地理解歐姆定律，下面以圖1-11所示的幾種形式為例加以說明

1-11 歐姆定律的幾種形式圖示

在圖1-11（a）中，已知電阻R=10Ω，電阻兩端的電壓UAB=5V，那麼流過電阻的電流

在圖1-11（b）中，已知電阻R=5Ω，流過電阻的電流I=2A，那麼電阻兩端的電壓UAB=I·R=2A× 5Ω=10V。在圖 1-11（c）中，已知流過電阻的電流 I=2A，電阻兩端的電壓 UAB=12V，那麼電阻的大小

下面以圖1-12所示的電路為例來說明歐姆定律的應用。

圖1-12 歐姆定律的應用說明圖

在圖 1-12 所示的電路中，電源的電動勢 E=12V，它與 A、D 之間的電壓 UAD相等，3 個電阻R1、R2、R3串接起來，可以相當于一個電阻R，R=R1 R2 R3=2Ω 7Ω 3Ω=12Ω。知道了電阻的大小和電阻兩端的電壓，就可以求出流過電阻的電流I了。

求出了流過R1、R2、R3的電流I，并且它們的電阻大小已知，就可以求出R1、R2、R3兩端的電壓UR1（UR1實際就是A、B兩點之間的電壓UAB）、UR2和UR3了。

從上面可以看出 UR1 UR2 UR3=UAB UBC UCD=UAD=12V

在圖1-12中如何求B點電壓呢？ 首先要明白：在電路中，某點電壓指的是該點與地之間的電壓，所以B點電壓UB實際就是電壓UBD，求UB有以下兩種方法。方法一 UB=UBD=UBC UCD=UR2 UR3=7V 3V=10V方法二 UB=UBD=UAD-UAB=UAD-UR1=12V-2V=10V

1．電功電流流過燈泡，燈泡會發光；電流流過電爐絲，電爐絲會發熱；電流流過電動機，電動機會運轉。可見電流流過一些用電設備時是會做功的，電流做的功稱為電功。用電設備做功的大小不但與加到用電設備兩端的電壓及流過用電設備的電流有關，而且與通電時間長短有關。電功可用下面的公式計算式中，

W表示電功，單位為焦（J）；U表示電壓，單位為伏（V）；I表示電流，單位為安（A）；t表示時間，單位為秒（s）。2．電功率電流需要通過一些用電設備才能做功，為了衡量這些設備做功能力的大小，引入一個電功率的概念。電功率是指單位時間裡電流通過用電設備所做的功。電功率常用 P 表示，單位為瓦（W），此外還有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它們之間的換算關系是

電功率的計算公式是 P=UI

根據歐姆定律可知U=I·R，

所以電功率還可以用以下公式來表示

舉例：在圖1-13所示電路中，燈泡兩端的電壓為220V（它與電源的電動勢相等），流過燈泡的電流為 0.5A，求燈泡的電功率、電阻和燈泡在10s内所做的功。

圖1-13 電功率計算例圖

燈泡的電功率 P=UI=220V×0.5A=110W

燈泡的電阻

燈泡在10s做的功 W=Pt=UIt=220V×0.5A×10s=1 100J

這裡要補充一下，電功的單位是焦耳（J），但在電學中還常用另一個單位——千瓦時（kW·h）來表示，千瓦時也稱度。1kW·h=1度，千瓦時與焦耳的關系是

1kW·h可以這樣理解：一個電功率為100W的燈泡連續使用10h消耗的電功為1kW·h，即消耗1度電。3．焦耳定律電流流過導體時導體會發熱，這種現象稱為電流的熱效應。電熱鍋、電飯煲和電熱水器等都是利用電流的熱效應來工作的。

英國物理學家焦耳通過實驗發現：電流流過導體，導體發出的熱量與導體流過的電流、導體的電阻和通電的時間有關。這個關系用公式表示就是

式中，Q 表示熱量，單位為焦耳（J）；R 表示電阻，單位為歐姆（Ω）；t 表示時間，單位為秒（s）。該定律說明：電流流過導體産生的熱量，與電流的平方、導體的電阻及通電時間成正比。由于這個定律除了由焦耳發現外，俄國科學家楞次也通過實驗獨立發現，故該定律又稱焦耳-楞次定律。舉例：某台電動機的額定電壓是220V，線圈的電阻為0.4Ω， 當電動機接220V的電壓時，流過的電流是3A，求電動機的電功率和線圈每秒鐘發出的熱量。

電動機的電功率 P=U·I=220V×3A=660W電動機線圈每秒鐘發出的熱量 Q=I2Rt=32A×0.4Ω×1s=3.6J

電阻是電路中應用最多的一種電子元器件，在一個電路中往往同時使用多個電阻。電阻的連接方式可分為串聯、并聯和混聯3種。

兩個或兩個以上的電阻頭尾相接連在電路中，稱為電阻的串聯。電阻的串聯如圖1-14所示。

圖1-14 電阻的串聯

電阻串聯電路的特點有以下幾個。① 流過各串聯電阻的電流相等，都為I。② 電阻串聯後的總電阻增大，總電阻等于各串聯電阻之和，即

③ 總電壓等于各串聯電阻上電壓之和，即

④ 電阻越大，兩端電壓越高，因為R1<R2，所以UR1<UR2。在圖1-14所示的電路中，兩個串聯電阻上的總電壓U等于電源的電動勢，即U=E=6V；電阻串聯後總電阻R=R1 R2；流過各電阻的電流

；電阻R1兩端的電壓UR1=I·R1=0.5A×5Ω=2.5V，電阻R2兩端的電壓UR2=I·R2=0.5A×7Ω=3.5V。

兩個或兩個以上的電阻頭頭相接、尾尾相接連接在電路中，稱為電阻的并聯。電阻的并聯如圖1-15所示。

圖1-15 電阻的并聯

電阻并聯電路的特點有以下幾個。① 并聯電阻兩端的電壓相等，即

③ 電阻并聯總電阻減小，總電阻的倒數等于各并聯電阻的倒數之和，即

該式子可變形為

④ 在并聯電路中，電阻越小，流過電阻的電流越大，因為R1<R2，所以I1>I2。在圖 1-15 所示電路中，并聯電阻 R1、R2兩端的電壓相等，UR1=UR2=U=6V；流過 R1的電流

，流過 R2的電流

總電流 I=I1 I2=1A 0.5A=1.5A；R1、R2并聯總電阻

。

一個電路中的電阻連接方式既有串聯又有并聯時，稱為電阻的混聯，如圖1-16所示。

圖1-16 電阻的混聯

對于電阻混聯電路總電阻可以這樣求：先求并聯電阻的總電阻，然後再求串聯電阻與并聯電阻的總電阻之和。在圖 1-16 所示電路中，并聯電阻 R3、R4的總電阻為

電路的總電阻

想想看，如何求圖1-16中總電流I，R1兩端電壓UR1，R2兩端電壓 UR2，R3兩端電壓 UR3和流過 R3、R4的電流I3、I4的大小。

下期就是交流電和直流電

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