第1章 电子电路基础知识

1.1 直流电路

直流电路是指电流流向不变的电路，也可以说直流电路是由直流电源供电的电路。如图1-1所示，该电路是将控制器件（开关）、电池（1.5V）和负载（照明灯）通过导线进行首尾相连构成的一个简单的直流电路。

在实际电路中，除了直接使用直流电源外，大多电路采用将交流220V电压变为直流电压的方式进行供电，如图1-2所示。

1.1.1 直流电路的基本参数

学习直流电路要首先了解电流、电压、电能和电功率等基本参数，如图1-3所示。

电流的大小用“电流强度”来表示，常简称为“电流”，用大写字母“I”或小写字母“i”来表示，指的是单位时间内通过导体截面积的电荷量。若在时间t内通过导体截面积的电荷量是Q（库伦），则电流可用I=Q/t计算。

1.1.2 直流电路的工作状态

直流电路的工作状态可分为三种，即有载工作状态、开路状态和短路状态。

1 有载工作状态

如图1-5所示，若开关S闭合，即将照明灯和电池接通，则此电路就是有载工作状态。通常电池的电压和内阻是一定的，因此负载照明灯的电阻值R_L越小，电流I越大。R_L表示照明灯的电阻，r表示电池的内阻，E表示电源电动势。

2 开路状态

如图1-6所示，将开关S断开，这时电路处于开路（也称空载）状态。开路时，电路的电阻对电源来说等于无穷大，因此电路中的电流为零，这时电源的端电压U（称为开路电压或空载电压）等于电源电动势E。

3 短路状态

如图1-7所示，在电路中将负载短路，电源的负载几乎为零，根据欧姆定律I=U/R，理论上电流会无穷大，电池或导线会因过大的电流而损坏。

1.2 交流电路

交流电路是指电压和电流的大小和方向随时间做周期性变化的电路，主要是由交流电源、控制器件和负载（电阻、灯泡、电动机等）构成的。常见的交流电路主要有单相交流电路和三相交流电路两种，如图1-8所示。

1.2.1 单相交流电路

单相交流电路是由一相正弦交流电源作用的电路，如交流220V/50Hz的供电电路。这是我国公共用电的统一标准，交流220V电压是指相线（火线）对零线的电压，一般的家庭用电都是单相交流电，有单相两线式、单相三线式两种。

1 单相两线式

单相两线式是指仅由一根相线（L）和一根零线（N）构成的供电方式，通过这两根线获取220V单相电压，为用电设备供电。

如图1-9所示，一般在照明线路和两孔电源插座多采用单相两线式供电方式。

2 单相三线式

单相三线式是在单相两线式基础上添加一条地线，相线与零线之间的电压为220V，零线在电源端接地，地线在本地用户端接地，两者因接地点不同可能存在一定的电位差，因此零线与地线之间可能存在一定的电压。

图1-10所示为单相三线式供电方式。

1.2.2 三相交流电路

三相交流电路是由三相正弦交流电源作用的电路。在我国，三相低压电气设备所用的电源统一为三相交流380V/50Hz。三相线之间的电压大小相等都为380V，频率相同都为50Hz，每条相线与零线之间的电压为220V。三相交流电路主要有三相三线式、三相四线式和三相五线式三种。

1 三相三线式

三相三线式是指供电线路由三根相线构成，每根相线之间的电压为380V，因此额定电压为380V的电气设备可直接连接在两根相线上，如图1-11所示。

2 三相四线式

三相四线式交流电路是指由变压器引出四根线的供电方式，如图1-12所示。其中，三根为相线，另一根为中性线（俗称零线）。零线接电动机三相绕组的中点，电气设备接零线工作时，对电气设备起到保护作用。

3 三相五线式

在三相五线式供电系统中，把零线的两个作用分开，即一根线作为工作零线（N），另一根线作为保护零线（PE或地线），如图1-13所示。增加的地线（PE）与本地的大地相连，起保护作用。所谓的保护零线就是接地线。

1.3 电路的连接方式

电路的基本连接关系有三种形式，即串联方式、并联方式和混联方式。

1.3.1 电路的串联方式

如果电路中两个或多个负载首、尾相连，那么它们的连接状态是串联的，可称该电路为串联电路，如图1-14所示。

在串联电路中，通过每个负载的电流是相同的，且串联电路中只有一个电流通路，当开关断开或电路的某一点出现问题时，整个电路将变成断路状态，因此当其中一盏灯损坏后，另一盏灯的电流通路也被切断，使该盏灯也不能正常点亮。

在串联电路中流过每个负载的电流相同，各个负载将分享电源电压，如图1-15所示。

该电路中有三个相同的灯泡串联在一起，那么每个灯泡将得到三分之一的电源电压。每个串联的负载可分到的电压量与它自身的电阻有关，即自身电阻较大的负载会得到较大的电压。

1 电阻器串联电路

电阻器串联电路是指将两个以上的电阻器依次首尾相接，所组成的中间无分支的电路，是电路中最简单的电路单元，如图1-16所示。在电阻器串联电路中，只有一条电流通路，即流过电阻器的电流都是相等的，这些电阻器的阻值相加就是该电路中的总阻值，每个电阻器上的电压根据每个电阻器阻值的大小按比例分配。

电路中，发光二极管的额定电流I_e=0.3mA，图1-16a中，一只发光二极管工作在9V电压下，可以算出，该电路电流为0.45mA，超过发光二极管的额定电流，当开关接通后，会烧坏发光二极管。图1-16b是串联一个电阻器后的工作状态，电阻器和二极管串联后，总电阻值为30kΩ，电压不变，电路电流降为0.3mA，发光二极管可正常发光。

下面结合一些电路介绍电阻器串联电路的识读方法，如图1-17所示。

当开关设在30Ω电阻器左侧输出点时，相当于将一个30Ω的电阻器接在稳压器调整端，其他7只电阻器被短路，稳压器输出端输出1.5V电压；当开关设在180Ω电阻器左侧输出点时，相当于将一个30Ω和一个180Ω的电阻器串联后接在稳压器调整端，其他6只电阻器被短路，稳压器输出3V电压；依此类推，当开关设于不同的输出端上时，可控制稳压器LM350T输出1.5V、3V、5V、6V、9V、12V六种电压值。

2 电容器串联电路

电容器串联电路是指将两个以上的电容器依次首尾相接，所组成的中间无分支的电路，如图1-18所示。将多个电容器串联可以使电路中的电容器耐压值升高，串联电容器上的电压之和等于总输入电压，因而该电路具有分压功能。

电路中，C1与C2和R1串联组成分压电路，起到变压器的作用，有效减小了实物电路的体积。通过改变R1的大小，还可以改变电容分压电路中电压降的大小，进而改变输出的直流电压值。这种电路与交流市电没有隔离，其地线会带交流高压，使用时注意防触电问题。

3 RC串联电路

电阻器和电容器串联后“构建”的电路称为RC串联电路。该电路多与交流电源连接，如图1-19所示。

RC串联电路中的电流引起电容器和电阻器上的电压降，这些电压降与电路中的电流及各自的电阻值或容抗值成比例。电阻器电压U_R和电容器电压U_C用欧姆定律表示为U_R=IR、U_C=IX_C（X_C为容抗）。

4 LC串联谐振电路

LC串联谐振电路是指将电感器和电容器串联后形成的，为谐振状态（关系曲线具有相同的谐振点）的电路，如图1-20所示。

在串联谐振电路中，当信号接近特定的频率时，电路中的电流达到最大，此时的频率称为谐振频率。

图1-21为不同频率信号通过LC串联电路的效果示意图。

当输入信号经过LC串联电路时，根据电感器和电容器的特性，信号频率越高，电感器的阻抗越大，电容器的阻抗越小，阻抗大则对信号的衰减大，频率较高的信号通过电感器会衰减很大，直流信号则无法通过电容器。当输入信号的频率等于LC谐振的频率时，LC串联电路的阻抗最小，此时信号可以很容易地通过电容器和电感器输出，如图1-22所示。由此可以看出，LC串联谐振电路可起到选频的作用。

1.3.2 电路的并联方式

两个或两个以上负载的两端都与电源两端相连，那么这种连接状态是并联的，该电路即为并联电路，如图1-23所示。

在并联状态下，每个负载的工作电压都等于电源电压，不同支路中会有不同的电流通路，当支路的某一点出现问题时，该支路将变成断路状态，照明灯会熄灭，但其他支路依然正常工作，不受影响。

并联电路中每个设备的电压都相同，每个设备中流过的电流因它们的阻值不同而不同，电流值与电阻值成反比，即设备的阻值越大，流经设备的电流越小，如图1-24所示。

在并联电路中，每个负载相对其他负载都是独立的，即有多少个负载就有多少条电流通路。由于是两盏灯并联，因此就有两条电流通路，当其中一个灯泡坏掉了，则该条电流通路不能工作，而另一条电流通路是独立的，并不会受到影响，因此另一个灯泡仍然能正常工作。

1 电阻器并联电路

将两个或两个以上的电阻器按首首和尾尾方式连接起来，并接在电路的两点之间，这种电路叫作电阻器并联电路，如图1-25所示。在电阻器并联电路中，各个并联电阻器两端的电压都相等，电路中的总电流等于各分支的电流之和，且电路中的总电阻值的倒数等于各并联电阻器阻值的倒数和。

电路中，直流电动机的额定电压为6V，额定电流为100mA，电动机的内阻R_M=60Ω，当把一个60Ω的电阻器R1串联接到10V电源两端后，根据欧姆定律计算出的电流约为83mA，达不到电动机的额定电流。

在没有阻值更小的电阻器情况下，将一个120Ω的电阻器R2并联在R1上，根据并联电路中总电阻器阻值计算公式可得R_总=100Ω。那么，电路中的电流I_总变为100mA，即达到直流电动机的额定电流，电路可正常工作。

下面结合一些电路来介绍电阻器并联电路的识读方法。如图1-26所示，电阻器并联电路是电子电路中的一个构成元素，因此识读时，可首先在电路中找到该基本电路，然后根据该电路的基本功能识读其在整个电路中的作用。

6V直流电压经总开关S1后，再经电阻器并联电路为不同颜色的指示灯供电。其中，红色指示灯与R1串联，当开关S2接通时，红色指示灯发光；绿色和黄色指示灯与R2串联，当开关S3接通时，绿色和黄色指示灯发光。

2 RC并联电路

电阻器和电容器并联于交流电源的组合电路称为RC并联电路，如图1-27所示。

与所有并联电路相似，在RC并联电路中，电压U直接加在各个支路上，因此各支路的电压相等，都等于电源电压，即U=U_R=U_C，并且三者之间的相位相同。

下面结合一些电路来介绍RC滤波电路的识读方法，如图1-28所示。

变压器T为降压变压器；电阻器与电容器构成了RC滤波电路。电阻器R1、R2和电容器C1、C2组成两级基本的RC并联电路。交流220V变压器降压后输出8V交流低压，经桥式整流电路整流后输出约11V直流电压，该电压经两级RC电路滤波后，输出较稳定的6V直流电压。

图1-29为另一种RC滤波电路的识读方法。

交流220V电压经变压器变成6V交流电压，再经整流二极管整流成直流电压，该直流电压波动较大，在整流二极管VD的输出端接上由电阻和两个电解电容器构成的RC并联电路，就可以起到较好的滤波作用，可以使直流电压的波动减小。

3 LC并联电路

LC并联谐振电路是指将电感器和电容器并联后形成的，为谐振状态（关系曲线具有相同的谐振点）的电路，如图1-30所示。

在并联谐振电路中，如果电感中的电流与电容中的电流相等，则电路就达到了并联谐振状态。在该电路中，除了LC并联部分以外，其他部分的阻抗变化几乎对能量消耗没有影响。

图1-31为不同频率信号通过LC并联谐振电路的效果示意图。

LC并联谐振电路与RL组成分压电路。当输入信号经过LC并联谐振电路时，同样根据电感器和电容器的阻抗特性，较高频率的信号容易通过电容器到达输出端，较低频率的交流信号容易通过电感器到达输出端。由于LC回路在谐振频率f₀处的阻抗最大，该频率的信号通过LC并联电路后衰减很大，输出幅度很小，可以说难于通过。

下面结合一些电路来介绍LC滤波电路的识读方法，如图1-32所示。

电感器L与电容器C1、C2组成基本LC并联电路（又称π形LC滤波器），具有更强的平滑滤波效果，特别是对滤除高频噪波有更为优异的效果。交流220V经变压器和桥式整流电路后，整流二极管输出的脉动直流电压U_i中的直流成分可以通过L，交流成分绝大部分不能通过L，被C1、C2旁路到地，输出电压U_o为较纯净的直流电压。

4 电路的混联方式

将负载串联和并联起来的方式称为串、并联方式，也称为混联方式，如图1-33所示。电流、电压及电阻之间的关系仍按欧姆定律计算。