我們生活周遭的電子裝置,都是由流經電子電路的電流所驅動控制的。每一個電路都是一種電子元件排列,用以執行特定的功能。電路經過設計後,可執行各種操作,視系統所須執行的工作而定,從簡單的動作到複雜的工作都涵蓋在內。
首先,讓我們瞭解多數電子電路運作中,最主要的被動元件。

電路組成中不可或缺的被動元件

被動元件是一種不會產生電力,但會耗用、儲存及/或釋放電力的電子元件。被動元件包括電阻器、電容器以及線圈(又稱電感)。這些元件在電路圖上的標示分別是R、C及L。在大多數的電路中,被動元件會連接主動元件,通常為半導體裝置,如放大器及數位邏輯晶片。

電阻器

電阻器是電子電路中主要使用的物理元件類型,有兩條(可互換)的引線。電阻器兩條引線內所安置的材質會妨礙(抵抗)電流流動。這股抵抗力即稱為電阻,計算單位為歐姆(Ω)。電阻器用於控制電路範圍內的各種電流,並透過產生電壓降(voltage drop),管理電路各點的電壓等級。
當電阻器接通電壓後,便會導入電流。電阻器的歐姆定律為E=IR,其中E代表整個電阻器上的電壓,R代表電阻器的電阻,而I代表流經電阻器的電流。電流與操作電壓成正比,與電阻成反比。因此,隨著電阻增加,流經元件的電流便會下降,因此高電阻時,電流反而小。
我們可根據歐姆定律,從電流、電壓或電阻其中兩者,計算這三種電路數值之任一結果。

電容器

電容器是電子電路中,另一種常見的物理元件類型。電容器有兩條引線,主要功用為儲存及釋放電荷。電容器儲存電荷的能力又稱為電容,計算單位為法拉(F)。
一般的電容器是由絕緣材料(介電質)隔開的兩個導電平板所組成。由於電子無法通過介電質,這種電路元件無法傳導直流電(DC),但卻可傳導交流電(AC),因為交流電壓會導致電容器反覆充放電,儲存並釋放能量。事實上,電容器的主要用途之一,就是傳導交流電,並阻擋直流電,此功能又稱為「交流耦合」。

當直流電流入電容器時,陽極平板上的正電荷便會迅速增加,而陰極平板上也會填滿與其相應的負電荷(見圖1)。正電荷會不斷累積 ,直到電容器電力完全充飽為止,即當兩個平板皆累積可負荷的最大電荷量(Q)。此一負荷量由電容值(C)以及整個元件的操作電壓決定(Q=CV)。達最大負荷量時,電流便會停止流動(見圖2)。

但是當交流電流經電路時,結果又完全不同了。

Figure 1 The Capacitor is Charging, Figure 2 The Capacitor is Charged (and Stable)

圖1 電容充電 / 圖2 充電後的電容狀態

因為交流電的電流會不斷改變,電容器會反覆充放電(見圖3)。雖然電容器中的介電質不會傳遞任何電子,但電流(在此情況下稱為位移電流)仍會在電容器中移動。電容器對於交流電的抵抗力稱為容抗,其計算單位和電阻一樣,皆為歐姆(Ω)。

Figure 3: Repeatedly charging and discharging

圖3

線圈

線圈又稱為電感,也是電子電路常見的物理元件類型。線圈有兩條引線,通常會以傳導線繞一圈或多圈。這條傳導線通常(但未必)繞在鐵、鋼或其他磁性材質的磁芯外部。流經線圈的電流會產生磁場,儲存電能。電感的計算單位為亨利(H)。

更確切地說,流經傳導線的電流會產生磁場,磁場的方向位於與電流相對的右方,如「右手定則」(right-hand-rule)所述(見圖4)。若傳導線繞成線圈,磁通量便會一致。根據楞次定律(Lenz's law),線圈磁場的改變會產生抵抗這些改變的反電動勢(以及感應電流)。因此,線圈可在電子電路中用於限制交流電的流動,同時允許直流電通過。

Figure 4: Current and magnetic field

圖4

流經導體的電流(I)會產生在導體右邊旋繞的磁場(B)。

Fig.5: Lenz's Law

圖5 楞次定律

線圈的感應電流會抵抗通過線圈磁力線的數量改變。

濾波電路-HPF與LPF

濾波電路是由用於消除不必要電子訊號,同時允許特定頻率訊號通過的連接電路所構成的電子函數。常見的濾波電路類型為RC串聯電路,其中電阻與電容以串聯方式連接。
RC濾波可透過高通濾波器(HPF)或低通濾波器(LPF)實作。以電阻器(Vr)上的電壓降作為輸出的RC濾波器,會從輸入端傳遞高頻率電壓訊號,同時濾出(減弱)輸入端的低頻(見圖6)。相對地,以電容器(Vc)電壓降作為輸出的RC濾波器,會允許輸入訊號的低頻率元件通過,減少或消除高頻率(見圖7)。

Figure 6: High-pass filter (HPF) / Figure 7: Low-pass filter (LPF)

圖6 / 圖7

下一堂課將說明三種半導體類型-二極體、電晶體以及場效電晶體(FET)-的基本原理。這些裝置皆可用於控制及修正電波波形與頻率。