《电子制作从零开始》 第1章：电子制作入门

第1章：电子制作入门

1.1走进电子制作的世界

• 电子制作的魅力与应用领域

  • 创造力的体现：电子制作就像是一场科技与创意的结合。通过自己的双手，将各种电子元件巧妙地组合在一起，创造出具有各种功能的电子设备，从简单的闪烁灯到复杂的智能机器人，这个过程能够充分发挥个人的创造力。
  • 技术探索的乐趣：在制作过程中，可以深入了解电子技术的原理。例如，通过制作一个小型的音频放大器，能直观地理解信号放大的过程，以及电容、电阻等元件在其中所起的作用。
  • 广泛的应用领域：电子制作在生活中的应用无处不在。在通信领域，我们使用的手机就是复杂电子制作的成果，它集成了射频电路、数字信号处理电路等众多部分，实现了无线通信功能。在智能家居方面，通过制作智能温度控制系统，可以自动调节室内温度，提升生活的舒适度。在医疗设备领域，简单的电子脉搏测量仪可以帮助人们监测健康状况。

• 日常生活中的电子制作实例

  • 自制电子时钟：可以用数字电路芯片或者微控制器制作一个电子时钟。它能够准确地显示小时、分钟和秒，并且可以通过添加一些功能，如闹钟、日期显示等，使其更加实用。制作过程中，会涉及到计时电路、显示电路和电源电路的设计与组装。
  • 简易无线充电器：随着无线充电技术的发展，自己制作一个简易的无线充电器也是一个有趣的项目。利用电磁感应原理，将发射线圈和接收线圈通过合适的电路连接，就可以实现为手机等设备进行无线充电。这其中需要了解电感、电容以及高频电路的相关知识。
  • 智能小夜灯：结合光线传感器和人体红外传感器制作一个智能小夜灯。当环境光线较暗且检测到人体活动时，小夜灯自动亮起，为人们在夜间提供方便。这个制作涉及到传感器的使用、信号处理以及灯光控制电路的搭建。

1.2认识基本电子元件

• 电阻器：阻值、色环识别与作用

  • 阻值：电阻是对电流有阻碍作用的元件，其阻值单位是欧姆（Ω）。不同阻值的电阻在电路中有不同的用途，例如可以用来限制电流大小，在串联电路中分压，在并联电路中分流。
  • 色环识别：对于有多个色环的电阻，色环颜色代表了不同的数字和倍率。一般来说，常见的有四环电阻和五环电阻。四环电阻的前两环表示有效数字，第三环表示倍率，第四环表示误差。五环电阻则是前三环表示有效数字，第四环表示倍率，第五环表示误差。例如，四环电阻颜色为棕、黑、红、金，其中棕代表1，黑代表0，红代表100倍，金代表误差为±5%，所以这个电阻的阻值为10×100 = 1000Ω，误差为±5%。
  • 作用：在电路中，电阻常用于限流。例如，在一个发光二极管（LED）电路中，为了防止LED因电流过大而损坏，通常会串联一个合适阻值的电阻来限制电流。假设LED的工作电流为20mA，电源电压为5V，LED的正向压降为2V，根据欧姆定律$I=U/R$，可以计算出串联电阻的阻值$R=(5-2)/0.02=150\Omega$。

• 电容器：分类、容值表示与特性

  • 分类：电容器主要分为电解电容、陶瓷电容、钽电容等。电解电容容量较大，一般用于电源滤波、信号耦合等电路，但它有极性，安装时需要注意正负极。陶瓷电容容量相对较小，高频特性好，常用于高频电路中的滤波、旁路等。钽电容性能介于电解电容和陶瓷电容之间，稳定性好，体积较小，但价格相对较高。
  • 容值表示：电容的容值单位是法拉（F），但在实际应用中，常用微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）。电容的容值标注方法有多种，对于电解电容，一般直接在外壳上标注容值和耐压值。对于陶瓷电容等小型电容，数字标注法较为常见。例如，数字为104的陶瓷电容，其容值为10×10⁴pF = 100000pF = 0.1μF。
  • 特性：电容器的主要特性是隔直流通交流。在直流电路中，当电容充电完成后，相当于断路；在交流电路中，电容会随着交流信号的频率变化而不断充放电，起到滤波、耦合等作用。例如，在一个音频放大电路的输入输出端，使用电容进行信号耦合，可以有效地隔离直流信号，只让音频交流信号通过。

• 电感器：结构、电感量及应用场景

  • 结构：电感器一般是由导线绕制而成的线圈，有的电感器还会在中间加入铁芯或磁芯，以增加电感量。线圈的匝数、直径以及有无铁芯等因素都会影响电感的电感量。
  • 电感量：电感量的单位是亨利（H），常用的单位还有毫亨（mH）和微亨（μH）。电感量与线圈的匝数平方成正比，与线圈的截面积成正比，与线圈的长度成反比。例如，一个匝数较多、线圈直径较大且有铁芯的电感器，其电感量相对较大。
  • 应用场景：电感器在电路中有多种应用。在电源电路中，与电容一起组成滤波电路，对电源中的交流纹波进行滤波。在高频电路中，用于制作振荡电路、匹配电路等。例如，在一个简单的LC振荡电路中，电感和电容组成谐振回路，当满足一定条件时，可以产生正弦波振荡信号。

• 二极管：单向导电性、种类及标识

  • 单向导电性：二极管最重要的特性是单向导电性，即电流只能从二极管的正极流向负极，反向时电流几乎为零。当二极管正极电压高于负极电压达到一定值（称为正向导通电压）时，二极管导通；当正极电压低于负极电压时，二极管截止。例如，普通硅二极管的正向导通电压约为0.7V，锗二极管的正向导通电压约为0.3V。
  • 种类：二极管有多种类型，如整流二极管用于将交流电转换为直流电，常见的有1N4007等；稳压二极管用于稳定电压，当反向电压达到其稳压值时，二极管反向击穿，在一定范围内，两端电压基本保持不变；发光二极管（LED）可以将电能转换为光能，用于照明或指示。
  • 标识：二极管的标识一般在外壳上，包括型号、极性等信息。对于小功率二极管，一端有一条色带表示负极；对于大功率二极管，通常会在外壳上直接标注正负极。

• 三极管：电流放大作用、类型与管脚识别

  • 电流放大作用：三极管有三个电极，分别是基极（B）、集电极（C）和发射极（E）。它具有电流放大作用，当基极电流有微小变化时，会引起集电极电流较大的变化。例如，在一个共射极放大电路中，基极电流的微小变化可以引起集电极电流按照一定倍数放大，这个倍数称为电流放大倍数（β）。
  • 类型：三极管主要分为NPN型和PNP型。NPN型三极管在正常工作时，电流从集电极流向发射极，基极电流控制集电极电流；PNP型三极管则相反，电流从发射极流向集电极，基极电流同样起到控制作用。
  • 管脚识别：对于常见的小功率三极管，平面朝向自己，管脚从左到右依次为发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。但不同型号和封装的三极管可能会有所不同，最好查看数据手册来确定管脚顺序。在实际电路中，正确识别管脚顺序对于三极管的正确安装和电路的正常工作至关重要。

1.3必备工具与仪器

• 常用手工工具：电烙铁、钳子、螺丝刀等介绍与使用

  • 电烙铁：是焊接电子元件的主要工具。电烙铁的功率有多种选择，一般焊接小型电子元件（如电阻、电容、芯片等）使用20 - 30W的电烙铁，焊接较大的元件（如大型电解电容、功率三极管等）可以使用30 - 60W的电烙铁。在使用时，先将电烙铁预热，当烙铁头温度足够高时，将焊锡丝接触烙铁头和焊接部位，使焊锡熔化并均匀地覆盖在焊接点上。焊接完成后，要及时清理烙铁头，以保持良好的焊接性能。
  • 钳子：包括尖嘴钳、斜口钳等。尖嘴钳主要用于夹取小零件、弯曲和整理导线等。斜口钳用于剪断导线和引脚，在修剪电子元件引脚时非常方便。使用钳子时，要注意力度，避免损坏元件或导线。
  • 螺丝刀：有十字螺丝刀和一字螺丝刀，用于拆卸和安装螺丝。在电子制作中，常用于打开和关闭电子设备外壳、固定电路板等。选择螺丝刀时，要根据螺丝的大小和类型选择合适的刀头尺寸。

• 测量仪器：万用表的功能与操作方法

  • 功能：万用表是电子制作中最常用的测量仪器，它可以测量电压、电流、电阻等电学参数。有的万用表还具有测量电容、电感、频率等功能。在电路调试和故障排除中，万用表是必不可少的工具。
  • 操作方法：
    • 电压测量：将万用表置于电压测量档位，红表笔插入VΩ孔，黑表笔表笔插入COM孔，然后将探头连接到被测电源的两端。在测量直流电压时，要注意表笔的极性，红表笔接正极，黑表笔接负极。
    • 电流测量：根据被测电流的大小选择合适的电流测量档位。将万用表串联在电路中，即断开电路的一部分，将红黑表笔分别接入断开的两端。在测量大电流时，可能需要使用万用表的电流钳附件。
    • 电阻测量：将万用表置于电阻测量档位，红黑表笔分别接触被测电阻的两端。测量前，要确保被测电阻没有连接到电源，以免损坏万用表。在读取电阻值时，要注意量程的选择，以获得更准确的测量结果。