电子技术初学者指南

本文翻译自:Complete-Guide-for-Tech-Beginners

原作者:taifur

译作者:Joseph

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万事开头难,只要你有兴趣同强大的决心,肯定会成功!很多学生尤其是工程系的都想动手搞些什么项目。实操经验会加深完善理论方面的学习,并帮助我们了解真正的原理。一个适当的指引对于初学者来说相当重要,因为很多时候他们不知道从哪开始。相信这个指南会帮助一些电子科技的初学者或者爱好者开展某些项目。

第一章:电压,电流,电阻

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这些都是比较基本的电子基础知识,相信大家都已经很熟识。我们就简单回顾一下。物质都是由原子组成,而每一个原子含有三种粒子。电子就是三种粒子的其中一种,带负电荷。电荷是电子和质子的属性,质子带正电荷。一个电子带一个单位的电荷。在一块导电材料中(银,铜,金,铝等)含有很多自由移动的电子。电压是一种迫使电子沿着特定方向流动或者移动的压力和动力。当电压施加到导电电子,它会沿着固定方向移动或者向特定方向流动,这叫做电流。当电子在导电体内移动,会遇到些摩擦阻力,这叫做电阻。电阻会抵制电子的自由运动。所以,我们可以说电阻降低电流。

电压:电压是一种能驱使电子向特定方向流动的压力。电压的单位是伏特,符号为V。电池是电压很好的来源。3V,3.3V,3.7V同5V的电压,在电子电路和电子设备中比较常见。

电流:电流是电子沿着特定方向的流动。正规点说,电流是电子沿着特定方向流动的变化速度。电流的单位是安培,符号是I。在电子电路中的电流是以毫安计算(1安培=1000毫安)。例如,典型的LED,电流一般是20mA。

电压是因,电流是果!

电阻:电阻是阻碍电荷或者电子流动的障碍。电阻在国际单位制(SI)的单位是欧姆,符号是Ω。
电压,电流,电阻三者间有着重要关系:

V = IR or I = V / R or R = V / I

这就称作欧姆定律。伏特,安培,欧姆分别被用作测量电压,电流,电阻单位。


第二章:电池

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一块电池是电压或者常规的电子能量的来源。电池通过自身内部化学反应产生电能。电池是一个两极装置,分正极(+V)和负极(-V)或者接地。通常电池分两种:干电池和蓄电池。

干电池一般是一次性的,用完就扔掉。蓄电池是可以放电再充电,重复多次使用。电池有很多不同形状,规格大小从小到用作助听器和腕表的钮扣电池到大到如同房间大小用作电话交换机和计算机数据中心的后备电源的电池仓。根据不同的电池化学物质,可以分很多类型。现在主要讨论下几种用作机器人和电子科技的电池:

1.5 V battery 1.5V电池
市面上有许多不同大小的1.5V电池,比较普遍的是AA同AAA。容量是500到3000毫安。

3 V Lithium coin cell 3V锂硬币(钮扣)电池

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硬币电池比起硬币要薄些。所有这些锂硬币电池通常核定3伏电压,带有开路电压3.6伏左右,容量变化大概在30到500毫安。这些钮扣电池因为体积细小轻薄而被大量用在穿戴设备上。

Alkaline碱性电池

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这类电池是不能再充电,一般用于小机器人。

Nickel-Metal Hydride (NIMH) 镍合金氢化物
这类电池拥有高能量密度,能够迅速被回充。另一个重要因素是价格。镍合金氢化物电池相对于体积与空量,价格便宜。被广泛用于机器人科技应用。

3.7 V Li-ion and Li-polymer 3.7V锂离子和锂聚合物

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锂离子和锂聚合物电池是可再充电的。它们有长放电能力,高能量密度,大容量同小体积。锂聚合物电池也被广泛用于机器人技术和RC工程。锂聚合物电池的单位体积消耗的能量(比能)为100-265瓦时/千克。

9 V battery 9V电池
9伏电池多见于早期的晶体管收音机,长形棱柱状,圆化了边角,顶部是偏振单元连接器。它们都是长方形的;尺寸是高48.5mm,长26.5mm,宽17.5mm(或者1.9”x1.0”x0.68”)。两极都分布在同一端,中心相隔1/2寸(12.7mm)。容量大概600毫安。

Lead Acid铅酸

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铅酸电池是工业的主力,廉价,可再充,随处可以买到。铅酸电池用于机械,不间断电源供应器(UPS),机器人技术和其它对电量需求大而对重量没要求的系统。铅酸电池是2V为单位的电池,这就意味着你可以组成一个偶数伏的电压。最常见的是2V,6V,12V同24V。

串并联电池

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电池可以采用串联或者并联方式联在一起。采取串联方式会使电压增加,而并联方式会使电流增强。电池的两个重要指标:

电池容量:电池容量是衡量(安-小时)电池的充储能力,取决于电池内部的活性物质。电池容量也反映出某些特定条件下电池的最大放电能量。然而,电池的实际储存能力可能与“标称”额定容量会有很大变化,取决于电池的寿命和使用次数,充放电的方式同温度。

电池容量计量方式有瓦时,千瓦时,安时同毫安时。一瓦时相当于电池电压乘以电池提供多少安培电流维持某段时间(通常以一个小时计算),电压安培小时=瓦时。由于电压受电池内部的化学物质(如碱,锂,铅酸等等),所以电池外部通常只印有安培*小时,表示安时或者毫安时(1000毫安时=1安时)。想得到瓦时电量,将额定电压乘以安时。比如说,我们有一只3V电压,1安时容量的电池,那么它将有3瓦时的电量。电池容量最好带低漏电流。限定电池使用寿命,将容量划分为实际负载电流以小时计算。一个由9V长方形电池供电,以10ma电流,电路大约能运作50小时:500毫安时/10毫安=50小时。

在众多的电池种类中,除非出现严重通常是永久性损坏,电池内部的能量不可能被全部提取(换句话说,电池不能被完全放电)。放电深度决定电池电量提取功率分数。例如,如果电池出厂时给定是25%,只有这25%的电量能够用于负载。

充电/放电速度会影响电池的额定容量。如果电池被迅速放电(例如,放电电流大),电池可释放的能量减少,电池容量低。或者说,电池以一个比较低的电流放电,更多的能量会被释放,电池容量高。例如,一块硬币电池标称1安时不可能实际提供1安培电流1
小时,实际它几乎不能提供0.1安培电流。就像一个人完全有能力穿越30米:自然跑30米跟走30米就有许多不同。同样道理,一块1安时的硬币电池能够供1毫安电流1000小时,如果你让它提供100毫安电流,它会维持不到10小时。

电池的温度也会影响能量的释放。高温度时电池容量通常高于低温时。然而,通过刻意升高电池温度来获取有效提升电池容量这种方法不可取,这会变相缩短电池寿命。

充放电倍率 C-rate:充放电的电流用倍率来测量。大多数便携式电池(铅酸电池除外)额定1C。放电1C的电流等于额定容量。例如,一块电池如规定放电倍率为1C,以1000毫安时电量能维持1000毫安电流一个小时。同样的电池如果放电倍率为0.5C,则提供500毫安电流2个小时。如2C,则提供2000毫安30分钟。1C通常以放电时间为1小时,0.5C为2小时,0.1C为10小时。
电池容量一般用电池分析仪来测量。如果分析仪的读数以百分比显示额定值,如100%,则表示以1000毫安电流可以维持一个小时,额定容量为1000毫安时。如果一块电池在断电前只用了30分钟,分析仪会显示电量50%。新电池通常提供超过100%的电量。厂家会保守地标示电池参数,使它在一定时期内拥有较长的放电时间。

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充电倍率通常以缩写为C或者C-rate,表示充电或者放电效率等于电池1小时的容量。

充电器通常是根据电池容量或者充电倍率来制定。一个标有C/10的充电器,代表在10小时内会将电池充满到原来的电量。一个标有4C的充电器可以在15分钟内把电池充满。这么高的充电效率,1个小时以内,充电器需要紧密监测电池的参数变化,如电压,温度以防止电池被过度充电损坏电芯。


怎样量度一个块电池?

尺寸
这个就比较简单直接,就电池的大小?铅酸电池不可能做到比硬币(钮扣)电池小。硬币(钮扣)电池不可能做到比原来大四分之一。电池都有标准尺寸,如AA或者9V特定用途。

重量与能量密度
这是一个性能问题:高质量(和昂贵)的电池会有比较高的能量密度。如果你的项目对重量要求高,你可以选用轻些能量密度高的电池。通常这是用瓦时每千克表示。

价格
价格与能量密度电池容量直接成正比。高价高密度,高价高容量!你想要在小体积轻重量中换取高电量,多花钱是必须的。

电压
电池的电压是由电池内部的化学物质决定。例如,所有碱性电池是1.5V,所有铅酸电池是2V,锂电池是3V。电池可以由多个电芯组合而成。比如,你很少遇到2V的铅酸电池,通常它们在电池内部被组合在一起成为一个6V,12V或者24V电池。同样,很多电子产品,人们将多个碱性电池放在一起组成他们想要的电压。要记住电压是名义上的测量标示,一个1.5V AA电池实际驱动时电压为1.6V然后瞬间降低到1.5V,然后慢慢降到1.0V,此时电池寿命将到尽头。

重复使用
有些电池可以反复充电,充上百次没问题。


怎样为你的项目挑选电池?

市面上的电池种类繁多,电池内部的化学物质也多种多样,一时间很难为自己的项目选出最佳方案。如果你做的是耗电量大的项目如大型音响系统和机动工程,可以选择铅酸电池。如果你搞的是穿戴设备对电量要求不大,可以选择锂硬币电池。任何轻量化需要稳定供电的可以选择锂离子电池,也可以选便宜一点的镍合金氢化物电池,比较锂离子稍微重一些。如果你要做耗电量高的四轴飞行器或者类似的,锂离子聚合物电池是不二之选。因为这类电池体积小,比其它电池重量轻,充电快,支持大电流输出。

如果你的电池设计给用户更换的,可以选择统一标准的AA,AAA,或者9V电池。如果你需要用到5V电压,可以用3节AAA或者AA碱性电池4.5V,或者镍合金氢化物电池4.8V。请你确保设备能够在相对低一点的电压也能运行(绝大数是没问题)。


你想让你的充电电池寿命长一些吗?
高品质的充电器会有灵敏元件使你的电池在常规快充大部分电量后进行涓流充电。廉价的充电器很容易充坏电池!


第三章:电阻

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电阻是可以阻碍电流通过的电子元件,在电路中比较基本和普遍的元素。我们用电阻控制通过电路中的电流。控制电流显得非常重要,而电子技术是一门控制电流的艺术。所有电子设备与电路中都含有电阻.

电阻是无源元件,它只会消耗电量(本身不能产生电)。电阻通常被添加到那些包含有源元件的电路,如运算放大器,微控制器和其它集成电路。电阻一般被用作限制电流分电压拉升I/O线

电阻的电子抗阻性用单位欧姆(Ω)来测量。大或者小阻值可以在欧姆(Ω)前面加前缀千-(k-),兆-(M-),千兆-(G-),阻值增大易读!千欧与兆欧阻值的电阻比较常见(微欧姆很少见)。例如,一个4,700Ω的电阻器等同于4.7kΩ电阻器。一个5,600,000 Ω 电阻可以写成5,600k Ω 或者(更普遍被写作)5.6M Ω。

不同类型的电阻

有成千上万种电阻器因为它们应用领域的特性和精确度要求不同而被制造成各种不同形式,像高稳定性,高电压,高电流等等,普通用途的电阻在制作上无太大要求。

普通的电阻器的相关参数:温度系数,电压系数,噪音,频率响应,功率和电阻温度额定值,体积和可靠性。

根据电阻器的导电特性,可以将电阻分为:

Linear Resistor 线性电阻器:线性电阻器是指电阻阻值随着电位差或者电压的变化保持不变。或者电阻的电流不会因输入电压的改变而改变。这类电阻器的伏安特(V-I)特性为一条直线。
Non Linear Resistor 非线性电阻器:非线性电阻器是指电阻阻值随着电压、电流的变化而变化的一类电阻器。这类电阻的伏安特性是一条曲线,不严格遵守欧姆定律,因此不能用它来直接运算。
非线性电阻器有好几种,日常用到的主要有:NTC热敏电阻器(负温度系数热敏电阻)-电阻阻值随着温度升高而降低。PTC热敏电阻器(正温度系数热敏电阻)-电阻阻值随着温度升高而升高。LDR光敏电阻器-电阻阻值随着光线增加而降低。VDR压敏电阻器-电阻阻值在电压超过一定数值后变得非常低。
非线性电阻器通常在不同的项目中使用。在众多的机器人项目中,电子爱好者将LDR光敏电阻器用作传感器。

根据电阻器的数值,可以将电阻器分为:

固定值电阻器:固定值电阻器是指电阻阻值在生产制作过程中已经给定了,在后期使用中也无法改变阻值。
可变电阻器或者电位器:它是指电阻阻值在使用中可以调节改变的电阻器。这类电阻器一般是有一条轴柄可以旋转或者有个螺丝可以转动,在某个给定值内可以调节阻值,例如:0kΩ~100kΩ。
电位器在不同的项目或者设备中用作调节声音大小、速度控制。
封装电阻器:这类电阻通常外面有封包,内含两个或以上的电阻。封装电阻器有很多个极,可以根据需求在当中任意挑选两极或者按不同作用组成电阻阵列。

根据成份,可以分为:

碳合成电阻器:它由一层导电膜缠绕包裹碳粒子而成,碳粒与导电膜的比例决定电阻阻值的大小,电阻器的两端有金属帽,然后由塑料膜封包(可以阻隔电阻材料与空气水分发生反应),只露出带镀锡金属线的极,方便焊接在电路上。这类电阻一般噪音比较大,因为电子在碳粒之间不断穿越。即使价格便宜,也很少用在关键的电路中。
碳膜电阻器:它是由一层薄碳膜附在瓷棒上而成,具体是在含甲烷的烧瓶内加热瓷棒,玻璃破裂过程中碳粒子就附在瓷棒上形成碳膜。电阻阻值的大小取决于碳附在瓷棒上的量。
金属膜电阻器:它是用真空蒸发法在陶瓷骨架上被覆一层金属膜而成的电阻器。这类电阻器稳定性非常好,非常耐用,并有较高的温度系数;相比其它电阻器,价格偏高,主要用在关键电路上。
绕线电阻器:它是通过在陶瓷棒上缠绕金属线而成。根据电阻的特性和要求,金属线由各种不同的金属合金制作而成。这类型电阻器稳定性高,耐高压,但比起其它电阻器,体积比较大。
金属陶瓷电阻器:它是由某些金属与陶瓷在陶瓷基片上混合烧制而成。陶瓷与金属的混合比例决定电阻阻值的大小。这类电阻器稳定性高,阻值精确,主要用于印刷电路板中表面贴装器件的贴片。

根据电阻器的作用,可以分为:

精密电阻器:精密电阻器的公差值很低,所以非常精确(接近其标称值)。
所有电阻器都有一个相对公差,用百分比表示。公差值可以显示电阻器实际阻值与标称值有多接近。例如,一只标称500Ω的电阻的公差值为10%,表示实际阻值会在450Ω与550Ω之间。如果同一电阻,公差为1%,则实际阻值与标称值之间的浮动仅为1%,所以实际阻值在495Ω~505Ω之间。这只是一个例子。
精密电阻器的公差水平一般低于0.005%,这就意味着实际阻值最多偏离标称值的0.005%。
由于精密电阻器的公差非常低,所以它们几乎接近标称值,如此高的精度,一般用在对电阻精度要求高的应用。
可熔断电阻器:它的设计原理是电压超过电阻额定值就会烧断,由金属线缠绕而成。可熔断电阻器有两个作用:一是当电压没超过额定值,它作为普通电阻限制电流。二是当电压超过标称值,它就充当保险丝,自动熔断,断开电路保护元件。
水泥电阻器:水泥电阻器是耐压耐热的电阻器,它可以承受较大的电流通过。如果你设计的电路中会有很多波电流通过,并且要求耐高温和火焰,那么水泥电阻器也是不错的选择。
典型的额定功率从1W到20W或者更高,公差值一般为5%。 Thermistors
热敏电阻:热敏电阻是指电阻阻值随着工作温度的变化而变化。由于电流在热敏电阻中的自热效应,设备的电阻会随着电流的变化而变化。
热敏电阻具有正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)。当热敏电阻为正温度系数,它的电阻阻值会随着工作温度升高而升高。相反,当热敏电阻为负温度系数,它的电阻阻值会随着工作温度升高而降低。
工作温度变化变化多少阻值变化多少取决于电阻的体积与结构。使用之前最好先了解热敏电阻的各项参数。
热敏电阻在电路中频繁用于管理温度测量,温度控制和温度补偿。
Photoresistors光敏电阻:光敏电阻是指电阻阻值由光照射到电阻表面的量而定。在光线暗的地方,光敏电阻的阻值非常高,可以达到几MΩ,当然这取决于电阻的额定值。当强光照射到电阻表面,电阻阻值可以瞬间下降,可以去到400Ω。
所以光敏电阻是可变电阻,阻值大小是根据照射到电阻表面的光量而定。 含铅与非含铅电阻器类型
含铅电阻器:这类电阻可以追溯到最早面世的电子产品。通常部件被焊接到电极或者端子需要用到电阻器上的铅元素。随着时间推移,印制电路板的出现和使用,铅被直接注入到电路板的引脚孔里面,在电路板的背面很容易看得到。
Surface mount resistors
表面贴装电阻器:自从表面贴装技术的引入,贴片电阻被越来越多使用。通常这种电阻使用薄膜技术生产,包含了各个阻值。

第四章 标准与常用电阻阻值

待整理

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