简单识别元器件

视频链接地址一、电学基础1. 前序知识了解一些原子相关的知识会对电学中很多的概念和结论有更好的理解。原子是构成物质的最小单位它由原子核和电子组成其中原子核由质子和中子组成。下图为碳原⼦的简易模型图1.1 质⼦Proton质⼦带⼀个单位的正电荷且质⼦数量决定着元素身份改变了质⼦数量也就改变了原⼦的类型。举个例⼦如果能从铅的原⼦核⾥移出3个质⼦那就成功的⽤铅原⼦造出了⼀个⾦原⼦⽽实际上质⼦之间结合地⾮常紧密⼏乎⽆法分开这也是炼⾦术未能实现的原因。拓展内容现代物理学中的核反应堆、粒⼦加速器等可以实现上述过程但所需能量和成本⾮常⾼已经远超⻩⾦的价值了⽽且这种反应通常很难精确控制产出的⻩⾦量可能很少。1.2 中⼦Neutron中⼦不带电且中⼦对原⼦的影响远⼩于质⼦。备注电学领域通常不对中⼦进⾏深⼊探讨因为它不带电荷不直接影响电势、电流的形成。1.3 电⼦Electron电⼦带⼀个单位的负电荷它围绕原⼦核做⽆规则的运动。备注早期的『波尔模型』将电⼦的运动⽐作成⾏星的“轨道运动”但随着量⼦⼒学的 发展这种⽐喻并不完全正确所谓的“轨道”其实是电⼦出现的概率区域并不不是⼀个 具体的路径。通常来说原⼦的质⼦数和电⼦数相等其内部的正电荷与负电荷互相抵消这时候原⼦呈电中性。电⼦层电⼦围绕原⼦核活动的范围。每个电⼦层上最多可容纳的电⼦数为 2n n是电⼦层的编号例如第⼀层n1最多容纳 2 * 1 2 个电⼦第⼆层n2最多容纳 2 * 2 8 个电⼦第三层n3最多容纳 2 * 3 18 个电⼦备注2n 计算的是每⼀层理论上的极限值但实际上并⾮所有电⼦层都会完全填满因为每⼀层还分为多个亚层电⼦会按照能量从低到⾼依次填充这些亚层。最外层电⼦数为 8个时通常是较稳定的状态。许多元素在化学反应中会倾向于通过获得电⼦、失去电⼦、共享电⼦来尽可能达到8个电⼦的稳定结构这个现象被称为⼋隅规则当然也有⼀些例外的元素例如氢(H) 、氦 (He)只需要 2 个电⼦就能达到稳定状态。不同电荷之间互相吸引相同电荷之间互相排斥具体计算参考库伦定律q1 和 q2两个电荷的电荷量r两个电荷之间的距离k库仑常数在不同的介质中例如空气、水等k值会有所变化最外层的电⼦更容易脱离原⼦因为它们与原⼦核的距离较远受到的引⼒较弱。1.4 『⽯墨』与『⾦刚⽯』⽯墨每个碳原⼦与周边 3个 碳原⼦分别建⽴共价键最终外层剩余 1个 未成键的电⼦这个电⼦可以在不同的原⼦之间⾃由移动所以⽯墨是导体备注⽯墨的层与层之间是靠『范德华⼒』结合在⼀起的范德华⼒是⼀种弱的分⼦间作⽤⼒因此⽯墨的各个层之间可以很容易地滑动所以⽯墨可以作为润滑剂、铅笔芯等。⾦刚⽯每个碳原⼦与周边 4个 碳原⼦分别建⽴共价键形成⼀个⾮常坚硬的⽴体⽹状结构没有⾃由电⼦所以⾦刚⽯是绝缘体。备注碳原⼦之间共价键内的电⼦活动范围相对较⼩且共价键内的电⼦被两个原⼦核共同吸引所以碳原⼦之间共价键内的电⼦相对稳定不会轻易脱落除⾮有⾜够的能量来打破这个键。2. 电流概念电荷的定向移动形成了电流衡量电流的⼤⼩要看单位时间内通过导体横截⾯的电荷量。更严谨地说导体内部本来就有大量自由电子在做无规则的热运动此时并没有电流只有当在外加电场的作用下这些自由电子整体上沿着同一个方向“集体搬家”才形成了我们所说的电流。所以“定向”二字是关键——杂乱无章的运动不算电流方向一致的运动才算。从微观角度看电流的大小取决于两点一是单位体积内可自由移动的电荷数量载流子浓度二是这些电荷定向移动的平均速度。金属导体中载流子是自由电子半导体中则可能是电子或空穴。从宏观角度看电流大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量即 I Q / t。这也解释了为什么同样的导线通过的电荷越多、时间越短电流就越大。注意电学上定义的『电流⽅向』是正电荷的流动的⽅向这个概念在19世纪初就先被定义了后来虽然发现了是电⼦在移动但为了保持定义的统⼀性『电流⽅向』仍然⽤正电荷的流动去定义所以『电流⽅向』与『电⼦移动⽅向』是相反的。单位安培(A)1A 的含义1秒钟内有 6.242*10 个单位电荷通过了导体横截⾯电⼦、质⼦、都属于单位电荷。备注 6.242*10 个单位电荷所带的电荷总量为 1 库伦©。所以 1A 的含义也能这样描述 在1秒钟内有1库仑的电荷通过了导体的横截⾯。单位换算进位为1000例如 1A 1000mA 常⽤的是 安(A)、毫安(mA)常⻅电器的⼯作电流3. 电场、电势、电势能为了能更好的理解⼀些抽象的概念我们⽤重⼒场中的相关概念去类⽐电场中的相关概念。3.1 重⼒场、电场重⼒场在地球周围存在有质量的物体进⼊该区域后会受到被拉向中⼼的⼒。电 场在电荷周围存在带电的粒⼦进⼊这个区域后会受到吸引⼒或排斥⼒。沿着电场线⽅向电场的强度会逐渐减弱且⽆论正电荷还是负电荷⽆穷远处的电场强度为 0。3.2 重⼒势能、电势能重⼒势能描述物体在重⼒场中所具备的能量与所处位置、物体质量均有关。电势能描述带电粒⼦在电场中所具备的能量与所处位置、粒⼦带电量均有关。左图中桌⼦⾼度越⾼、⼩球质量越⼤它所具备的重⼒势能就越⼤。右图中电场中试探电荷距离中⼼电荷距离越近、试探电荷所带电量越多电势能就越⼤。3.3 重⼒势、电势左图中B 点距离地⾯的⾼度⼤于 A 点所以 B 点的重⼒势⼤于 A 点。右图中B 点与中⼼电荷的距离⽐ A 点更近所以 B 点的电势⼤于 A 点。4. 电压概念⼜称电势差是两点之间电势的差值衡量电压的⼤⼩要看两点电势差的⼤⼩。通俗理解电压就像是“电的压力”或“推动电荷流动的动力”。可以类比水管中的水压——水压越大水流动得越急电压越大推动电荷定向移动的能力就越强。没有电压即使导体中有大量自由电子它们也只会做无规则热运动不会形成电流。电压是形成电流的必要条件一段导体两端存在电压导体内部才会建立起电场自由电子才会在电场力作用下定向移动。这也解释了为什么电池要分正负极——正负极之间的电势差正是驱动电流的“源头”。需要区分的是电压是“两点之间”的物理量单独说某一点的电压是没有意义的必须指明是“哪两点之间的电压”。 1V 的含义是电场 对 1库伦© 电荷做了 1焦⽿(J) 的功。单位换算进位为1000例如 1kV 1000V常⻅电源的电压5. 电阻概念材料或元器件对电流流动的阻碍程度通俗理解电阻可以类比水管中的“狭窄段”或“粗糙内壁”——管道越细、内壁越粗糙水流受到的阻碍就越大。电阻越大在相同电压下通过的电流就越小。电阻是导体本身的属性它由材料种类、长度、横截面积以及温度共同决定与外加电压和通过的电流无关。换句话说一个电阻做出来之后它的阻值基本就固定了不会因为你不给它加电压就“没有电阻”。电阻的两面性在需要限制电流、分压、发热的场合电阻是“好帮手”但在输电线路、导线连接处电阻会造成电能损耗并发热这时它是需要尽量减小的“麻烦”。 1Ω 的含义给导体施加 1V 电压此时如果导体的电流为1A那这个导体的电阻就是1Ω。单位换算进位为1000例如 1KΩ 1000Ω电阻决定式了解R电阻。ρ材料的电阻率表示材料对电流的阻碍能⼒。L导体的⻓度。A导体的横截⾯积。补充内容后续我们会讲解⼀种电⼦元器件 —— 『电阻器』它的简称也叫『电阻』它是⼀种专⻔⽤于控制电流的电⼦元器件它的作⽤是为电路提供电阻来限制电流的⼤⼩。6. 电路电源物理学中将提供电能的装置叫做电源。它的作用是把其他形式的能量化学能、光能、机械能等转化为电能并在两端维持一定的电势差从而推动电荷持续流动。⽤电器将灯泡、电动机、等这类消耗电能的装置叫做⽤电器。它们把电能转化为光能、机械能、热能等我们需要的能量形式。导线连接电源和用电器为电流提供流动的路径通常由电阻很小的铜、铝等材料制成。开关控制电路的通断相当于电路中的“闸门”。电路电源、⽤电器再加上导线、开关等组就成了电流可以流过的路径这就是电路。一个完整的电路必须满足两个条件一是要有电源提供电压二是电路必须闭合形成回路。缺一不可——只有电源但回路断开电荷无法持续流动也就没有持续的电流。电路图在绘制电路图时为了绘制简单且⽅便研究通常⽤图形符号来表示元件。备注此处只给⼤家列举了三个电路符号其他的电路符号会随着课程讲解给⼤家介绍电路状态7. 欧姆定律内容导体中的电流与导体两端的电压成正⽐与导体的电阻成反⽐。推导结论在电阻不变的情况下电压越⼤电流也会越⼤。公式U为电压单位为vI为电流单位为AR为电阻单位Ω定义式 vs 决定式使⽤场景8. 直流电 VS 交流电8.1 直流电定义有固定的正负极且电流⽅向始终『不变』的电流全称Direct Current简称DC。举例⼲电池、锂电池、光伏发电板等。8.2 交流电定义电流⽅向随时间做『周期性变化』的电流全称Alternating Current简称 AC。交流电的电流⽅向⼀定做周期性变化但电流⼤⼩不⼀定做周期性变化举例家庭⽤电8.3 扩展内容了解家庭⽤电为的 220V-50Hz 的正弦交流电下⾯是关于家⽤交流电的⼀些总结性内容周期交流电完成⼀个完整波动循环所需的时间参考下图。零线与⽕线交流电⽆正负极之分有零⽕线之分零线的电势始终为0⽕线的电势不断变化有时⾼于0有时低于0这样就形成了交变电流。对于 220V-50Hz 的理解220V 指的是交流电的有效电压。何为有效电压—— 让交流电和直流电分别通过同⼀个电阻在交流电的⼀个周期内若⼆者产⽣的热量相等那么这个直流电的电压就是交流电的有效电压。我们平时聊天所说到的、⽤电器说明书上写的、电表所测到的都是有效电压即220V。何为峰值电压—— 交流电在⼀个周期中达到的最⼤电压值220V 交流电的峰值电压为 约为 311V。50hz 指的是交流电的频率含义是交流电在1秒钟内完成了50个周期每个周期包含两次⽅向变化所以对于 50Hz 的交流电来说1秒钟内电流的⽅向变化了100次。『整流』与『逆变』整流 交流AC → 直流DC逆变 直流DC → 交流AC备注在⽣活中很多的电器都是把交流变成直流后⼯作的例如电脑、⼿机、路由器等因为直流电更加稳定适合精密电路。9. 弱电与强电弱电电压⼀般较低⾏业规定安全电压为不⾼于36V弱电通常⽤于直流电路3.3V、5V、12V、弱电也能于信号传递例如⾳频和视频线路、⽹络线路、电话线等。强电电压⼀般很⾼例如220V 的家⽤电1000V 及以上的⾼压电强电常⽤于传递能量。⼤家⼀定要注意⽤电安全⼀般弱电平台⽤⼿直接触摸不会造成⼈身危险但是强电平台⼀定不能⽤⼿直接触摸会有⽣命危险10. 家庭电路了解此部分内容属于电⼯学内容但也属于电学的相关的常识性内容不必深究了解⼀下就好。家庭电路中的『保护接地』是如何保护我们的1️⃣发电⼚系统会通过⼀个接地点将零线连接到⼤地这是电⼒系统中⼀个重要的设计 其⽬的是保证电压稳定将零线电压锁定为地电位0V。提供保护在发⽣故障时接地可以快速引导电流回到地触发保护装置如断路器。2️⃣为什么触摸⽕线很危险⽕线为 220V地为 0V身体与地之间构成回路导致电流流过身体很危险电流的整体路径是 ⽕线220V→ 你 → 地 → 零线(0V接地) → 发电⼚。切记家庭⽤电属于强电禁⽌⾃⼰操作强电也禁⽌⽤⾃⼰的身体去验证各种结论11. 串联与并联串分压并分流串联和并联是电路中最基本的两种连接方式几乎所有的复杂电路都可以拆解为这两种基本形式的组合。理解它们的区别是后续分析电路、设计电路的基础。串联把用电器首尾依次相连电流只有一条路径可走。并联把用电器并列连接电流有多条路径可走。两者的核心区别可以总结为串联电路中电流处处相等总电压等于各部分电压之和总电阻等于各电阻之和越串越大。并联电路中各支路两端电压相等总电流等于各支路电流之和总电阻的倒数等于各支路电阻倒数之和越并越小。这也是“串分压并分流”这句口诀的由来串联时电阻大的分到的电压多并联时电阻小的分到的电流多。### 1. 串联电路2. 并联电路3. 电路仿真软件12. 电功率概念⽤于衡量电流在单位时间内所做的功⽤来表示⽤电器消耗电能快慢的物理量。单位瓦特简称瓦符号是W。单位换算进位为1000例如 1kW 1000W 。公式P UIU为电压单位为VI为电流单位AP为功率单位为 W常⻅⽤电器的功率瓦时 VS 千瓦时⼆者都是表示电能的⼀种单位。瓦时瓦时是功率W与时间h的乘积 即瓦时 功率 × 时间。⼀个 1W 的⽤电器⼯作 1h 它消耗的电量就是1瓦时 1Wh 。千瓦时千瓦时是瓦时的千倍 通常⽤于描述⼤型电⼒设备如电表读数、新能源汽⻋等。⼀个 1kW 的电器⼯作 1h 它消耗的电量就是1千瓦时 1kWh 俗称1度电。安时、毫安时⼆者都是描述电池容量的单位。安时表示该电池能以 1A 的电流持续⼯作 1h 通常⽤于描述⼤容量的电池。毫安时安时的千分之⼀通常⽤于描述⼩容量的电池。例如华为『Mate70 Pro』⼿机电池容量为 5700mAh 充电宝的电池容量为 20000mAh 有些时候我们也省略 h 直接说⼿机的电池容量和为 5700mA 充电宝电池容量为 20000mA 。13. 焦⽿定律内容电流通过导体产⽣的热量与电流的平⽅成正⽐跟导体的电阻成正⽐跟通电时间成正比单位焦⽿(J)简称焦公式Q I²Rt例如⼀根 60Ω 的电阻丝接在 36V 的电源两端在 5s 内共产⽣多少热量注意电路通过导体时如果电能全部转化为内能⽽没有同时转化为其他形式的能量那么电流产⽣的热量就等于消耗的电能但实际上只有纯电阻电路才能把电能完全⽤于产⽣热量对于纯电阻电路来说消耗的电能全部⽤于转化热量所以可以推导出如下公式二、常见电子元器件本章属于硬件科普内容以最快的速度让⼤家了解各个元器件的外观、参数、⼯艺、特性等。1. 两种常见的封装方式2. 元器件采购推荐⽴创商城3. 直流稳压电源直流稳压电源将输⼊电源转换为稳定直流输出的设备具备可调电压/电流、过载保护等功能是电⼦维修调试与嵌⼊式系统供电的核心设备。4. 电阻器4.1. 概述概念在电路中产⽣电阻的元器件主要作⽤是阻碍电流的流动是电⼦设备中最常⻅的元器件之⼀。分类固定电阻、可变电阻、特种电阻。特别注意电阻的『外观⼤⼩』和『阻值⼤⼩』没有必然联系但是『外观⼤⼩』往往和『功率』正相关外观⼤的⼀般能承受住较⼤的功率。关键参数4.2. 固定电阻固定电阻的阻值不可调节其阻值在⼀定的温度范围内保持稳定。线绕电阻碳膜电阻⾦属膜电阻4. 贴⽚电阻薄膜、厚膜5. ⾦属箔电阻4.3 可调电阻可调电阻的阻值可以⼿动调节相⽐于固定电阻主要多了⼀个调节电阻的指针常⻅的封装类型有微调式多转式旋转式滑动式等。4.4 特种电阻特种电阻⼀般具备独特的结构或材料特性以适应特定环境的技术要求。保险丝光敏电阻压敏电阻4.5 阻值识别直标法三位数字代码⼀般⽤于 ±5% 精度的电阻它的前两位是有效数字第三位表示在有效数字后⾯所加“0”的个数这⼀位不会出现字⺟其中 R 表示⼩数点。四位数字代码⼀般⽤于 ±1% 精度的电阻它的前三位是有效数字第四位表示在有效数字后⾯所加“0”的个数这⼀位不会出现字⺟。其中 R 表示⼩数点。例如 10011000Ω 10R010.0Ω精密标注法⼀般⽤于为 ±0.1% 精度的电阻精密标注法是由两位数字加⼀位字⺟表示精密电阻阻值对照表⾊环法⽤不同颜⾊的⾊环来表示阻值和精度。⼀般来说电阻器上会有4个或5个⾊环每个⾊环代表⼀个数字或⼀个特定的系数根据⾊环的位置和颜⾊可以确定电阻的阻值和精度。因印刷⼯艺、以及⾊差问题⼀般很少读⾊环通常直接⽤万⽤表测量。4.6. 阻值标准思考⼀下为什么电阻的阻值都这么奇葩如 2.7Ω 、 3.9Ω 、 6.8Ω 。假如我们是电阻⼚家要做⼀批精度为 10% 的电阻要如何划分阻值区间呢按照如下⼏种设计是不⾏的因为并没有做到阻值全覆盖我们的⽬标是让阻值分布配合精度后尽可能达到阻值全覆盖。除了E12系列还设有其他的系列如E6、E12、E24、E48、E96等分别适⽤于不同的精度。5. 电容器隔直流通交流5.1. 何为电容何为电容顾名思义就是“储电荷的容器”由两个彼此绝缘的极板组成中间夹有电介质绝缘材料当在电容器的两个极板之间施加电压时极板上会积累电荷电容最核⼼的功能是充电、放电与电池相⽐电容可以实现瞬间放电电池是靠储存的化学能慢慢的释放能量。电容充电过程中充电速度是逐渐变慢的最终两极板间电压与外部电压⼀致时停⽌充电。5.2. 单位、换算、参数标准单位法拉F⽤来衡量单位电压下电容的储电能⼒。1F 的含义如果在电容器两端加上 1V 的电压该电容器能刚好够储存1库伦的电荷那该电容器的容值就是 1F 。换算关系进位为1000例如 1F 1000mF 1mF 1000μF特别注意1法拉F很⼤⼿机中⽤到的电容 10µF 左右 0.00001F 。电脑主板上的电容⼏⼗到⼏百 µF 0.0001F 左右。5.3. 电容的特点电容的核⼼特点是充电、放电、隔直流、通交流充电与放电要了解电容充电时的伏安特性曲线。当电容器刚充电时⽐如说第⼀个电⼦刚要被压⼊极板的时候电容器两端的电压⼏乎为0电⼦很容易就压进去所以此时的电容器对电流的阻碍⾮常⼩可以认为是⼀根导线所以通过他的电流就很⼤。当电容器快充满时极板中已经压⼊了很多的电⼦此时电容器两端的电压就⽆限接近电源的电压那电⼦就很难被压进去所以此时电容器对电流的阻碍⾮常⼤所以通过他的电流就会很⼩。当电容器完全充满时它两端的电压和电源电压相等不会再有电⼦被压⼊极板所以此时的电容器可以认为是开路状态电流当然就为0了。隔直流、通交流抗阻抗的概念虽然电容器能“通交”但交流电穿过电容时会有损失因为随着电⼦被不断推⼊极板电⼦会产⽣堆积会对后续的电⼦有阻碍且交流电的频率越慢电容对电流的阻碍越⼤。对⽐电阻与电容⼆者阻碍电流的区别是电阻会发热电容不发热所以交流电中常⽤电容来进⾏限流例如交流电⻛扇⼀般都通过电容调整电流进⽽控制转速。电阻、容抗、感抗这三者在交流电路中的综合表现称为阻抗。⼀句话总结阻抗是电阻、容抗、感抗综合作⽤的结果描述了电路中多种因素对电流的总阻碍。⼀个简单的⽐喻电阻是路上的固定减速带阻碍不变容抗、感抗是可变的坡道坡度⼤⼩随频率不同⽽变化动态阻碍它们共同决定了⻋辆电流的通过速度。容抗的决定式了解滤波作⽤电容并联在电源两端电容会接替交流电的负半个周期进⾏放电⼩灯牌⼀直处于常亮状态。全波整流整流就是把交流转换成直流。可以把交流电想象成⼀条双向⻋道电流⽅向来回变现在需要把这条路改成单⾏道直流电全波整流就像⼀座聪明的⽴交桥能让两个⽅向的⻋流都变成同⼀个方向全波整流⽐半波整流效率更⾼。5.4. 常见电容器陶瓷电容电解电容空⽓电容超级电容5.5. 容值识别直接标注法指标法常⽤于电解电容的标记容值在表⾯直接标注乘⽅数表示法⼀般陶瓷电容⽤三位数字表示容值。它的⾸位和⼆位为有效数字第三位表示在有效数字后⾯所加“0”的个数。拼接完的容值单位是pF字⺟表示法这是国际电⼯会推荐标注的⽅法使⽤的标注字⺟有4个即p、n、U、m分别表示pF、nF、UF、mF字⺟前为容量的整数字⺟后为容量的⼩数。贴⽚电解电容6. 电感器抵抗电流的突然变化比如突然变大变小6.1 回顾物理定律安培定则定则⼀⽤右⼿握住通电直导线让⼤拇指指向电流⽅向那四指指向就是通电导线周围的磁场⽅向。定则⼆⽤右⼿握住通电螺线管让四指指向电流的⽅向那么⼤拇指的指向就是通电螺线管的N极。法拉第电磁感应定律定律内容只要闭合电路的磁通量发⽣变化那么闭合电路中就会产⽣电流。楞次定律定律内容感应电流所形成的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量变化。6.2. 概述概念⼀种把电能转换成磁能并可以将磁能存储起来的元器件它是“磁能的暂存器”。核⼼作⽤通过电能与磁能之间的相互转化实现了平滑电流对电流有⼀种“来拒去留”的反应。电流突然出现或突然变⼤电感器会抑制⼀下让它平缓的出现或变⼤。电流突然消失或突然变⼩电感器会抑制⼀下让它平缓的消失或变⼩。6.3. 单位与换算标准单位亨利简称亨符号是 H 单位电流变化率下电感器产⽣反向电压能⼒ 。1H的含义 电流变化速率为 1A/s 时若该电感器能产⽣ 1V 的反向电压那其电感值就是 1H 。换算关系进位为1000例如 1H 1000mH 1mH 1000μH特别注意1亨H也是⼀个很⼤的单位⼿机中⽤到的电容 10µF 左右 0.00001F 。电脑主板上的电容⼏⼗到⼏百 µF 0.0001F 左右。电感的决定式了解6.4. 核心特点电感储能电感以磁场的⽅式储存电能。隔交通直电感对直流电流没有阻碍作⽤对交流电流阻碍作⽤⼤。6.5. 常见电感器6.6. 电感的大小识别数字和字⺟的混合标注法电感量和允许误差采⽤三位数字和⼀位字⺟表示前两位数字表示有效数字第三位数字表示有效数字后几个0倍乘数。数字和“R”、“N”混合标注常⽤于⼩功率电感如⼀些贴⽚电感如⽤“R”表示⼩数点是电感量的单位通常为uH。如⽤“N”表示⼩数点单位通常为nH。7. 蜂鸣器7.1. 概述蜂鸣器是⼀种能够发出声⾳的电⼦元器件常⽤于报警⾳、提示⾳、⾳频信号输出等场景。7.2. 分类蜂鸣器按照驱动⽅式的不同可分为有源蜂鸣器、⽆源蜂鸣器注意这⾥的源指的不是电源而是音频振荡源。7.3. 关键参数8. 电磁继电器概述电磁继电器是利⽤电磁感应原理制成的⼀种电磁开关它能通过低电压、低电流的电路来控制高电压、高电流的电路。三、半导体1. 什么是半导体半导体就是⼀种介于导体和绝缘体之间的材料它有时候导电有时候不导电具体表现取决于外部条件比如温度、光照、电压等。导体比如铜、铝电流很容易通过绝缘体比如橡胶、塑料电流⼏乎⽆法通过半导体比如硅、锗导电性能可控硅是“芯片”的核⼼材料正是因为硅的特性让半导体产业成为可能没有半导体就没有现代科技。⽤⼀个简单的⽐喻⚡ 导体就像⼀条畅通的⾼速公路⻋电流可以⾃由通⾏。 绝缘体就像⼀堵墙车电流根本过不去。 半导体就像⼀条收费公路有时候开放通⾏有时候关闭。你可以通过“操作收费站”控制半导体材料的特性来控制电流是否通过。2. 三种半导体2.1. 本征半导体硅原⼦有 14 个质⼦ 14 个电子 3 个电子层最外层有 4 个电子。每个硅原⼦与周围的 4 个硅原⼦形成共价键这个共价键在光照和⾼温下不稳定会有部分断裂。当共价键断裂后共价键中的电⼦会“逃出”共价键成为⾃由电⼦当电⼦离开共价键时原来的位置就留下了⼀个空位这个空位就是空⽳。此时硅晶体此时变成了导体硅能够从绝缘体变成导体是其材料的⾃身的物理特性我们将这类材料称为本征半导体。电子原来的位置形成了空穴2.2. N 型半导体向硅晶体中掺杂少量的磷原子磷原子最外层有 5 个电子只能和周围的 4 个硅原子组成 4 个共价键这样每个磷原子可以贡献 1 个自由电子。2.3. P 型半导体向硅晶体中掺⼊硼原子硼原⼦最外层只有3个电子硼原⼦会努力去周围的硅原子形成 4 个共价键不过因为缺1个电子所以会有⼀个共价键的位置期待1个自由电子这个位置会形成“空穴’由于“空穴”是期待得到⼀个电子的所以也可以认为空穴带正电。注意本征半导体、N 型半导体、P 型半导体它们都是电中性的3. PN 结3.1. 概述PN 结是半导体器件的基础结构由 P 型半导体和 N 型半导体通过特殊工艺结合而成它在二极管、晶体管等器件中起着非常重要的作用。P 型半导体、与 N 型半导体的微观图示P型半导体、与N型半导体的简略图示注意P 型半导体中的多子是空穴N 型半导体中的多子是电子二者都是电中性的3.2. 内建电场的形成将『P 型半导体』与『N 型半导体』组合到一起N 区的电子会扩散到 P 区与空穴复合N 区因缺少电子而带正电P 区因得到电子而带负电这样在内部就形成了一个『内建电场』由于内建电场的存在阻止了更多的电子从 N 区扩散到 P 区于是中间就形成了一层 “耗尽区”。●备注 1耗尽区又称空间电荷区、势垒区。 ●备注 2什么是载流子—— 所谓载流子就是 在导体中能够自由移动并携带电荷的微小粒子。 ●备注 3不仅 N 区的电子会『扩散』到 P 区P 区的空穴也会『漂移』到 N 区也就是说空穴其实也是载流子 金属中的载流子通常是电子 半导体中载流子可以是电子也可以是空穴为了方便分析课程中仅从电子扩散的角度去分析 PN 结最终的目标是记住 PN 结相关的结论即可。3.3. PN 结的导通原理当在 P 区接正极N 区接负极时在这种外部电场的加持下内建电场会变小耗尽区也随之变小当外部电场强度继续变大时就可以抵消掉内建电场PN 结被导通随后 N 区的电子完全处于自由状态。在抵消内建电场后继续加大外部电压就会有电流通过结论PN结导通时电流方向是从P到N的。如果反接呢P接负极N接正极那外部电场与内部电场方向相同会叠加在一起导致耗尽区变大。4. 二极管4.1. 概述二极管是一种由PN结构成的电子器件具有单向导电性即只允许电流从P区流向N区反向无法导通。4.2. 整流二极管概述整流二极管是一种单向导通的半导体器件核心功能是将 交流电AC转换为脉动直流电DC。其本质是 PN 结结构利用半导体材料的单向导电性实现电流方向控制。半波整流全波整流4.3. 稳压二极管概述稳压二极管利用了二极管的反向击穿特性它在反向击穿后可以将其两端电压维持在一个相对恒定的值附近它可以为电子设备提供稳定的电压并防止过压损害。只有二极管限制电压的电压过去但是不能太大了4.4. 发光二极管概念发光二极管LED是一种特殊的二极管不仅具有单向导电性还可以在正向导通时发光。应用场景照明灯、指示灯、验钞、遥控等等。独特优势和传统白炽灯相比LED 具有低功耗、长寿命、高亮度的独特优势。发光原理在发光二极管中电子与空穴在 PN 结处复合时原本自由运动的电子被禁锢在禁带内。为了释放其能量电子从高能态跃迁到低能态这时能量以光子的形式释放出来。普通二极管通常以热能的形式释放能量而发光二极管则利用其特殊的半导体材料使得能量转化为光。关于颜色不同的材料中电子和空穴结合时能量是不一样的最后发出的光也有所不同。扩展知识初期没有白色 LED白色 LED 的出现依赖于蓝色 LED因为光的三原色是红、绿、蓝通过组合这三种颜色的光可以产生白光。当然也可以用另一种方法用蓝色 LED 荧光粉来产生白色光但要注意的是劣质 LED 会对眼睛造成伤害。电致发光效应 VS 光伏效应二极管限流电阻的选取1️⃣为什么需要限流电阻为了保护二极管不被过大的电流损坏观察 LED 的伏安特性曲线会发现随着电压的增加电流会急剧升高二极管一旦导通电流会迅速增大二极管导通后就相当于导线了稍微多一点电压就可能烧毁二极管。通过加电阻限制了电流同时也起到了分压的作用确保LED工作在安全的电流范围内。2️⃣限流电阻的计算⽅式其实就是根据 LED 的标称电压和电流算出电阻的阻值4.5. 数码管概述数码管是一种常见的显示设备广泛用于电子产品中显示数字或字母等信息。结构数码管主要由 7 个发光二极管LED组成这 7 个 LED 排列成数字 “8” 的形状分别用 A 到 G 表示通过控制这些 LED 的开关状态可以显示不同的数字和字母。分类 共阳数码管所有的阳极连接在一起、共阴数码管所有的阴极连接在一起。例如想在数码管上显示数字 “3”需要点亮a、b、c、d、g 这五个 LED。备注在实际应用中通常会通过单片机或其他微控制器来控制每个 LED 的开关状态。4.6. LED点阵屏概述LED 点阵屏是一种由多个 LED 组成的矩阵用于显示图形、文字或数字等信息广泛用于电子产品中特别是在显示板、广告屏和电子标牌中。结构如下图5. 三极管晶体管5.1. 概述三极管Transistor是一种基本的半导体器件广泛应用于放大、开关和信号调节等电子电路中它是基于 PN 结的特性制造的它可以通过小电流控制大电流。5.2. 分类三极管分为『NPN 型』与『PNP 型』下文中我们用初学者比较好理解的『NPN』型三极管给大家讲解三极管的工作原理当理解了 『NPN 型』后『PNP 型』也就自然理解了。5.3. 基本结构『NPN 型』三极管的基本结构如下图可以看成两个共用 P 区域的二极管5.4. 导通原理通过一个小电流下图中蓝色电流控制一个大电流下图中橙色电流从而在电路中实现通断效果它就像是一个开关或放大器利用输入的微小信号来调节输出的较大信号所以我们经常说三极管具有放大作用。5.5. NPN 与 PNPNPN型三极管当『基极』到『发射极』电流较大时三极管被导通电流可以从『集电极』流向『发射极』反之当『基极』到『发射极』电流较小或没有时三极管关闭电流无法流动。NPN型三极管『发射极』发射的是电子『集电极』收集的也是电子。PNP型三极管当『发射极』到『基极』电流较大时三极管被导通电流可以从『发射极』流向『集电极』反之当『发射极』到『基极』较小或没有时三极管关闭电流无法流动。PNP型三极管『发射极』发射的是空穴『集电极』收集的也是空穴。5.6. 快速分辨三极管下面这几个三极管要如何快速分辨类型与各极区分类型的核心箭头一直都是由P指向N的。最终规律中间的都是 b基极箭头所在的线是 e发射极剩下的就是 c集电极。6. 场效应管之MOS管6.1. 概述英文全称Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor常称之为MOS管、MOSFET。MOS管通过电场来控制电流传统的三极管通过电流来控制电流。场效应管有许多应用包括放大、开关、电压控制等。场效应管是芯片的底层原理是芯片中的最小单位。6.2. 分类场效应管的分类如下图其中 MOSFET 中的『N沟道增强型』在实际电路中出场频率很高所以下面我们会对『N沟道增强型』做主要讲解当对『N沟道增强型』理解透彻后其他的也都是触类旁通最后记下结论即可。6.3. 基本结构『N沟道增强型MOS管』的基本结构是基于一个P型半导体衬底在这个P型衬底上嵌入了两个N型半导体区域分别作为『源极』和『漏极』。其中『源极』会在出厂时和衬底相连图中的黄色线该条线是在MOS管内部的外部观察元器件时是看不到的这两个N型半导体通过P型衬底隔开。N沟道增强型MOS管6.4. 导通原理首先明确如下这两种使用方式都是不对的图1无法导通图2虽然可以导通但无法进行开关控制。正确使用方式如下当『栅极电压』大于『源极电压』时N沟道MOSFET导通允许电流从『漏极』流向『源极』。此时MOS管处于“打开”的状态电流通过『漏极』和『源极』之间的通道流动。技巧MOS管使⽤时寄⽣⼆极管需要反偏6.5. 快速分辨MOS管引脚中间的是栅极(G)线最多的是源极(S)剩下的是漏极(D)。沟道栅极(G)对面的箭头往里指(指向G)是N沟道往外指(背离G)是P沟道。类型栅极(G)对面的线三段虚线则为增强型一条实线则为耗尽型。导通/增强导通条件N沟道需要 _ 0P沟道需要 _ 0。电流方向让寄生二极管反偏。6.7 下拉电阻如果不加电阻这个那么在你开关打开然后断开这个mos管依旧是导通的LED也会继续发光。原因如下因为G带正电会吸引电荷那么还是导通状态6.8 怎么接线