我们周遭所使用的所有电子设备均通过电流来控制其运行,而电流的连通则需要电路的支持。

通过在电路上搭载各种元器件,我们可实现由简单到复杂的各种操作。

为了能够更好的理解电路,首先让我们来了解一下构成电路的各个元器件的工作特性。

电路组成中不可或缺的无源元件

电阻、电容器、线圈等被称为无源元件,主要用于消耗、储存、释放电力,以实现功率放大、整流等控制操作。

电阻的工作

电阻也称为电阻器,可通过阻止电流运行来对电流进行控制,利用电流的改变影响电压,通过电流可产生任意电压。
电阻值的单位为Ω(欧姆),电阻值越大其对电流的阻止能力就越强,因此通过的电流也就越小。
在电阻的两端连接电压后,电流就可以流通。电流与电压成正比,与电阻成反比。这就是欧姆定律。利用欧姆定律,我们可以计算出电流、电压、以及电阻的值。

电容器的工作

电容具有储存电量,并将储存的电量释放出来的功能。电容器的容量被称为静电容量,其单位为F(法拉)。
电容器的构造是将电介质(绝缘体)夹在电极中,因此直流电无法通过,但在接通交流电后,电容器则可实现蓄电与放电的重复运行而形成电流。“只有交流电流才能通过”,这就是电容器的作用。

电容器在接入直流电后,会使电源正极的正电荷和负极的负电荷进行充电(带电)(图1充电状态)。而在电容器静电容量的电荷不断充电达到饱和时,电流就不再流通。(图2稳定状态)

当电容器接通交流电压

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

图1 电容充电 / 图2 充电后的电容状态

电流的流向发生异常变化,电容器的充、放电将持续进行(图3)。这可以看做是和电介质中交流电不断流通一样的“通交”,从而形成电流。交流电中的电阻被成为容抗,其单位为Ω(欧姆)。

Figure 3: Repeatedly charging and discharging

图3

线圈的工作

线圈也叫做电感线圈。线圈是用导线围绕并制成的元件。导线在接通电流后可产生磁场,从而存储能量。该容量为电感系数,其单位是H(亨利)。

导线将根据电流的方向产生右旋磁场(右旋定律)。在导线制成的线圈周围会形成定向磁场。而线圈内的磁场变化和感生电流的方向会有减少磁场变化趋势。这就是楞次定律。因此,线圈不能接通交流电,只用作直流电的接通。

Figure 4: Current and magnetic field

图4

将导体接通电流后将在电流方向产生右旋磁场。电流I磁场B)

Fig.5: Lenz's Law

图5 楞次定律

感生电流产生磁场的方向一定是减少线圈内磁感线数变化的方向。

滤波器电路-HPF与LPF

去除不需要的信号,只保留特定频率的电路叫做滤波器电路。比如,将电阻(R)与电容器(C)都为串联连接的RC串联电路中电阻的(Vr)电压作为电路的输出电压,那么我们就不能够只输出电压信号中的高频率部分而将低频率部分。这种特性被成为HPF:High-pass filter(图6)。
反之,如果把电容C上的电压作为输出,那么我们就不能够只输出输入电压信号中的低频率部分,而减少高频率部分。这种滤波器电路被称为LPF:Low-pass filter(图7)。

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

图6 / 图7

下期内容中,我们将学习可对控制电流形成的波形、频率等进行控制的元件—二极管、晶体三极管、FET的相关基础知识。

学好嵌入式系统

  1. 无源元件
  2. 二极管、晶体管、FET
  3. 运算放大器