创客实用电子学（第 1 部分）

本系列其他文章（已发布）

• 实用电子制作（第 2 部分）[^]
• 实用电子制作（第 3 部分）[^]
• 实用电子制作（第 4 部分）[^]
• 实用电子制作（第 5 部分）[^]

背景

在我完成上一本书（Windows 10 桌面编程：UWP 重点（15 卷 15）[^]）后，我迫不及待地想开始下一本。我喜欢保持热情，而对我来说，没有什么比玩转电子更能激发我的热情了。自从我开始接触计算机（在侏罗纪时代）以来，我就一直对电子学在计算设备内部的实际工作原理很感兴趣。

显然，电子学是所有计算设备固有的组成部分，但当我们专注于软件时，许多人从未真正考虑过电子元件本身内部发生了什么。现在，随着廉价硬件的爆炸式增长，使得嵌入式开发变得非常容易，许多人开始更多地考虑电子学。我认为这开始打开更多的可能性。

我过去发现的一个问题是，很少有资源能从头开始，然后循序渐进地讲解（这是我从《爱丽丝梦游仙境》中喜爱的一个引语/改写）。

我写这本书的热情如此之高，尽管它还有些粗糙（而且我写这本书的速度可能会很慢，因为需要花费大量时间），但我还是想在这里发布章节。所以，希望你会觉得它有趣且有帮助。

引言

我写了以下介绍，以解释这本书是如何工作的。当我开始学习电子学时，我并不想阅读关于原子和电子的理论。原子和电子很有趣，但我真正想做的是开始制作东西。我乐于以后学习原子理论，但在开始时，它对我来说意义不大。

也许你的感受和我一样。如果你发现自己同意以下介绍的其余部分，那么你就知道这本书适合你。

我想要的是:

我想开始制作东西

我想制作一些东西。我的电子学经验有限（或者可能根本没有），但我相信我需要学习的东西不会太难。我知道我在这方面有点天真，但我希望有一位作者能在我构建项目以帮助我创造出有趣的东西时指导我。

我感兴趣的是制作一些有趣和/或有用的东西。我（目前）不感兴趣的是所有电子学理论背后的原理。首先，我想让一些东西能够工作并发挥作用，然后，我再花时间去理解它。

搭建电路

我不在乎我们是从简单的让 LED 亮起和熄灭开始。我只想把电路组装起来，然后开始看到一些东西发生。一旦电路工作了，我将更有兴趣去了解它是如何工作的。我希望书中有大量的电路，并且希望尽早出现电路。

我们不能直接组装元件然后开始吗？

现代电子学就是元件，所以我想我应该能够学到一些基础知识，把它们组装起来，然后学习它们是如何工作的。我乐于在构建项目的过程中学习理论。事实上，我更愿意在构建和学习中同步进行。

我也理解，我想要构建的一些系统可能比我最初想象的要复杂，但我希望能看到这些系统逐步构建起来。所谓的逐步构建，我指的是一个过程，类似于以下内容：

1. 构思一个我想要的东西，例如 ⇒ 用我的手机打开我的车库门。
2. 查看如何将此分解的步骤。
   1. 我的手机有蓝牙，我如何通过蓝牙发送一条消息到我的车库门，告诉它打开？我想我需要为手机编写一个应用程序。
   2. 我的车库门没有蓝牙，我该如何添加呢？是否有独立的蓝牙元件？是否有办法将新的蓝牙元件与我旧的车库门集成？
   3. 我的车库门确实有一个壁挂式开关。如果我能远程激活那个开关，门就会启动。我该如何实现？是否有我可以使用的一个元件？
3. 阅读/观看一步一步构建系统组件的教程。

如果太难，作者应该为我提供

如果某件事在我目前的理解水平上太难或太耗时，那么作者可以提供可下载的（如果是软件）或作为额外购买的预制组件。这样，如果我愿意，就可以继续进行并构建手头的项目，然后等我准备好时再回来学习它是如何工作的。

事物并非总是一次就能成功

我知道事情并非总是一次就能成功，我对此没意见。我希望看到常见的问题，这样当我遇到困难时，我就会明白，即使是作者也会遇到困难并感到沮丧。我还希望看到测试电路和确定问题原因的常用方法。

动力难寻，消除障碍

我有很多事情要做，不能总是花很长时间在电子项目上，所以请确保我提前拥有项目所需的一切，以便在我找到几分钟空闲时间时就能开始。此外，如果我花所有时间寻找元件和准备材料，我将太累而无法真正进行项目。在每个项目开始时，请给我一份我需要的一切（包括我将使用的工具）的清单，以便我能准备好所有东西。

我不想花所有时间寻找要购买的元件

从信誉良好的卖家那里寻找要购买的元件

我希望构建特定项目所需的所有元件都放在每个项目的前面。我不想搜索互联网上的所有内容，所以请提供购买元件的链接，这样我就可以下单，并在它们到达我的邮箱后就知道我拥有了所有东西。我不想担心我是否从信誉良好的卖家/网站购买。请提供我应该尝试的、作者已经知道信誉良好的特定网站链接。

尽快从非常简单的项目引导到高级项目

再说一遍，我不介意简单的项目，但要快速地引导我完成它们，并向我解释这在以后会多么重要。只要我学的电路是适用的，那么我也不介意简单的例子电路，但始终要将其置于大局中，以便我能继续思考如何直接将我学到的知识应用到我自己的项目中。

工作空间和为电路供电

我希望作者能指导我一些基础知识，包括如何正确设置我的电子工作空间，以便我随时准备进行实验。更重要的是，我知道为我的电路供电有时会有点挑战，因为我需要为各种项目提供不同的电压和电流。我希望作者能帮助我思考为我的简单实验供电的最佳方式，以及为我希望长期使用的成品项目供电的最佳方式。

我希望这本书易于阅读

我也希望这本书易于阅读。我希望内容能够独立存在。我希望这本书能够以一种方式引导我学习材料，即我可以先阅读章节来学习，看看作者如何运行实验，以及事情是如何进行的。我希望它有图片和清晰的步骤，向我展示如何重现实验，这样即使我目前还不能做实验（因为我还没有零件或设备），我仍然可以很好地了解事情将如何进行。

第一章的一个例子。我用万用表检查了一些元件，但读者可能还没有万用表，或者可能在投资万用表之前在观察她是否真的投入。我将尝试描述我们将用万用表进行的所有操作，然后展示万用表的实拍照片。这样，即使读者还没有实体万用表，也仿佛在和我一起进行实验。

酷炫的项目：当我完成时

当我完成这本书时，我希望已经构建了几个有趣的完整项目，我可以进一步深入研究，或者它们类似于我一直梦想构建的更高级项目。

我希望看到的一些内容是

• 了解所有*可用的电子元件以及它们的基本功能
• 学习如何在电路图上识别元件并阅读电路图，以便我能从别人的电路中学习并记录我自己的电路，这样我就不会忘记它们
• 用最少的元件构建项目以节省成本——即，如果我可以用基本元件完成，就不要使用微控制器
• 用 LED 做酷炫的事情
• 用红外传感器控制电路
• 了解为什么开关和自动化开关是电子学中最重要的
• 生成声音并通过扬声器播放
• 使用蓝牙
• 使用 LCD 屏幕显示数据
  • 我曾与一个特定的 LCD 屏幕有过一段糟糕的经历，我会向你展示。它在屏幕上写满了疯狂的数据，我必须找出原因
• 从我的物联网项目中向 SD 卡写入数据
• 用电机和伺服器驱动事物
• 为 Arduino 编写基本代码 - Arduino 工具链以及为嵌入式设备编写代码的真正含义
• 用 Arduino 制作音乐播放器
• 帮助我学习如何在我的项目上节省电力，以便它们可以使用最小的电池运行 - 我想与人们分享我的设备。
• 允许我通过手机（通过蓝牙）打开/关闭我的车库门
• 了解我如何构建一个设备来用我的手机锁定/解锁我的电脑
• 只有在我必须焊接时才焊接，或者在我做最终项目时——并提供一些有用的焊接基础技巧

*显然，电子元件的数量非常庞大，对于本书来说过于广泛，但我们将研究大量常见元件及其用法。到本书结束时，您将知道如何阅读数据手册，以便在研究不在我详尽列表中的新元件时获取所需信息。

我希望它成为一个集合资源

我希望这本书能指导我完成所有这些项目并帮助我获取知识，而且即使它不是完全新的、无法从其他地方找到的信息也没关系。我知道，相反，这是一个收集和针对的资源，其中包含一些作者认为最有趣的项目。我希望作者也能告诉我那些其他资源，这样我在阅读本书时可以进一步深入，并在完成之后。

就是这样。这就是我一直在寻找的那种书。这就是我认为我已经创造（正在创造）给你写的那种书。

我也为自己创造了它，因为这是我想要的项目的日志。我希望你像我一样享受我将所有这些整合在一起的过程。

如果这听起来像是你可能感兴趣的东西，那么让我们开始吧。

~Roger Deutsch, 2018 年 1 月 2 日

第一章

这是你能搭建的最简单的电路。不需要电线。

您需要准备的

1. CR2032 电池（纽扣电池 - 看起来像一枚硬币）
   1. 你可以在亚马逊上买两块，大约 3 美元（http://amzn.to/2zdKCqY）
2. LED
   1. 你可以在亚马逊上买 30 个绿色 LED 和一些电阻器（稍后我们会讲电阻器），大约 5 美元（http://amzn.to/2zfJWRY）
3. 万用表（http://amzn.to/2CsC3JL）

你将学到什么

• 电池有正负两极。
• LED 有正负两极。
• 具有正负两极的元件称为极性元件。
• 并非所有元件都是极性元件。
• 关于电的三个主要玩家（电压、电流、电阻）的简要介绍。换句话说，构成我们已知和使用的电的东西。
• 阅读数据手册
  • 什么是数据手册？
  • 为什么要阅读数据手册？
  • 从阅读数据手册中可以学到什么？
• 万用表基础（电子测量设备）
• 欧姆定律简介

您需要的电池

您可以看到这一侧（我们称之为顶部）标有信息。

这是 CR2032，电压为 3 伏（稍后会详细介绍）。它们通常缩写为 V，例如：3V。这些圆形小电池通常被称为纽扣电池或电池，因为它们看起来像硬币或纽扣。这枚大约有美国镍币那么大。这些也偶尔被称为手表电池，因为很久以前，它们主要用于腕表。

电池（以及一些其他元件）有正负两极

+ 符号表示这是电池的正极。

电池有正负两极。

我提到这一点是因为 LED（发光二极管）也是极性元件，它们也有正负两极。实际上，由于普通 LED 有两个引脚，一个引脚是正极，另一个引脚是负极。下面是 LED（发光二极管）的图片。

电池的负极看起来是

您可以看到这一侧有更多的纹理。可能是为了确保它在安装的设备中不会滑动。

元件标签

这一侧几乎没有标签。很多电子元件都是这样的：它们在一侧或另一侧提供信息。这表明，如果您找不到任何标签，那么您可能需要翻转元件或查看其他地方，您很可能会找到一些东西。

元件可能是极性元件

正如我所说，任何电子元件都可能是极性元件。这意味着它有正负两极。了解这一点很重要，因为在搭建电路时，您需要对齐不同元件的同极。但是，并非所有元件都是极性元件。我们将学习电阻器，它们不是极性元件（没有负正两极），可以在任一方向置于电路中。您可以将普通电线视为非极性元件，因为连接线可以在任一方向置于电路中。

电子流动

思考极性的另一种方式是，它是电子在电路中流动的方向。极性元件是指只允许电子单向流过的元件。像一段电线这样的元件，允许电子双向流动，则不是极性元件。

LED 只允许电子单向移动，因此它是极性元件。

即使在这个第一个简单的实验中，我们也需要理解极性，因为我们需要将 LED（发光二极管）的正极连接到电池的正极，将负极连接到负极。

正/负真正意味着什么？

您可能想知道正负到底意味着什么。这通常是指电源。在我们的例子中，电源是电池。电池的一侧有过量的电子积聚。由于电子带有负电荷，与电子稀缺的一侧相比，电子过多的电池一侧被认为是负极——电池的正极。正是这种差异产生了电压。我们稍后会谈论更多。现在，只需理解负极是电子过多的那一侧就足以理解其他概念了。

对齐极性元件的同极

要使 LED 工作，我们需要将 LED 的正极与电池的正极对齐，将负极与电池的负极对齐。

第一个实验

让我们尝试第一个实验，它将使 LED 亮起来。非常简单。您只需要 LED 和我们提到的纽扣电池。

LED：较长的引脚是正极

如果您仔细查看您将要使用的 LED，您应该会发现它的一个引脚比另一个长。较长的引脚是正极。该引脚需要接触电池的正极。

显然，较短的引脚是负极，必须接触——您猜对了——电池的负极。

您现在可以这样做，一只手垂直握住电池，然后向下移动引脚，直到一个接触电池的一侧，另一个接触另一侧。

这是我的 CR2032 电池放在面包板上，靠在两条电线上（为了拍照稳定）。

在这里，我将 LED 的引脚固定在电池的相应侧，以使 LED 亮起。请注意，电池后面的电线只是为了稳定电池，以便我可以用一只手拍照。

如果出于某种原因，您无法确定 LED 的哪个引脚较长，还有（至少）两个其他方法可以确定哪个侧是哪个。

塑料的平坦侧：负极

如果您仔细观察 LED 的塑料外壳，您会发现一侧（考虑引脚进入塑料的侧面）是平坦的。那一侧是负极，当然，通过排除法，另一侧就是正极。

您也可以看内部，看到类似以下内容

您会看到一侧比另一侧大。在图像中，您可以看到右侧（塑料内部）的金属板大得多。较大的侧是负极，当然，较小的侧是正极。较大的侧称为砧，较小的侧称为柱。

这里是 LED 的一个很好的特写视图

图片来自公共领域（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED,_5mm,_green_(en).svg）

您可以看到 LED 的负极也称为阴极，正极称为阳极。随着我们继续看到这些术语与其他元件相关联，我们将更多地讨论这一点。

如果同时将两个引脚接触正极会怎样？

也许您在想，如果将两个引脚都接触电池的正极或负极会怎样？LED 会损坏或爆炸或熔化吗？不，什么都不会发生。去试试吧，以便您自己能看到。

为什么什么都不发生？

什么都不发生是因为没有电子流动。为什么没有电子流动？因为 LED 的两个引脚之间没有电压差。那是什么意思？

电压是电中推动电子通过电路的部分。电压是电子的推力。如果两点之间没有电压差（在本例中是 LED 的两个引脚之间），则不会有电子移动。电路中有电子，但当您将两端连接到相同的极性（都是 +（正）或都是 -（负））时，就没有推力。电路的推力（电压）是由电路中两点电子的差异产生的。如果两点之间没有差异（在本例中是 LED 的两个引脚），那么您就没有电压，没有电子移动，也没有电流流动，也称为电流。

电压可以类比为水压

想象一根装满水的管道，但它放在水平表面上——管道的两端都是水平的。由于管道的两端之间没有差异，水就不会流动。但是，如果您抬起管道的一端，水就会开始流向低端并流出。这是电子行为的一个很好的类比。

您还可以将其视为溪流中的水。如果河床完全水平，水就不会流动。如果水不流动，我们就说没有电流。我们也将流动的电子称为电流。所以，如果没有电压，就没有电流——没有流动的电子。如果没有流动的电子，我们就得不到任何电——没有电流。

存在势能（静止的能量），但由于电流不流动，所以什么都不会发生。要使某事发生，电子必须被激发。例如，任何铜线都含有电子，但直到铜线连接到一个一端有过量电子，另一端缺乏电子（通常认为是接地）的源，才存在电压，也没有电流流动。电压，即推动电子通过导线的压力，使电子移动。但要获得电压，电路各部分之间必须存在压差。在您将两个引脚都连接到正极或两个引脚都连接到负极的情况下，不存在压差，因此什么都不会发生。这就像管道放在平地上一样。

电子移动，LED 点亮

然而，当我们连接正极到正极和负极到负极时，（用充满电的电池）电子就开始流动。当电子流动时，它们会通过 LED 的导线连接（见前图）到达半导体晶片。当半导体晶片被激活时，它会以光子（光）的形式释放能量，点亮 LED。

我们所说的压差是因为我们使用的电池与正极相比，负极有电子积聚。由于负极有电子积聚，这会在电池的负极和正极之间产生压差和电压。当发生这种情况，并且您用导体（电线、金属、LED 等）连接到两侧，它释放其电子，那么电子就可以从负极流向正极。

电池是如何没电的

当您使用电池时，正极会不断获得电子。当它最终获得与负极一样多的电子时（电池长期使用后），电池将无法工作，因为电压差降至零。这就是我们认为电池没电的时候。它在两点之间达到了电子平衡状态。就像管道的两端又在同一水平线上一样。

关于电子移动的一点说明

在前面的段落以及在我们将继续学习的过程中，您会看到我提到电子会移动。对于原子理论的纯粹主义者来说，我必须花点时间提一下，电子在导线中的移动方式不像汽车在高速公路上行驶。这实际上只是一种惯例，我们用来帮助理解。更准确地解释电子如何移动的方法是想象一根装满乒乓球的管子。当你从管子的一端推入一个乒乓球时，每个乒乓球只移动一点点，远端的乒乓球就会掉出来。这可能是电子在导电材料中从一个原子移动到下一个原子的一个更好的表示，但正如我们讨论电流以及您在其他地方阅读的内容一样，大多数人会以传统的思维方式讨论电子的移动，就像汽车在高速公路上行驶一样，这对于我们的目的来说是可以的。

多少电压？

不同类型的工作需要不同量的电压。显然，如果我们想更快地推动更多电子，我们需要更高的电压。在 LED 的情况下，如果我们提供的电压不够，那么电子将没有足够的能量来移动，LED 也不会亮起。

我们如何知道我们需要多少电压才能做某事？

零件的原制造商会提供此信息，以便我们进行检查和了解。这是熟悉电子工作的一部分。

驱动 LED 需要多少伏特？

您可以只谷歌“驱动 LED 需要多少伏特”之类的内容，您很可能会得到一个很好的答案。

我的电池目前提供 3.077V 电压和 40mA 电流。

这是我测量电池电压的方法。

我启动了我的万用表（多功能仪表），它可用于测量电压和电流以及其他测量。

我通过将探针连接到万用表上的正确端口来设置我的仪表测量电压。然后，我将负极探针（黑色）连接到电池的负极，将正极探针（红色）连接到电池的正极，并在万用表屏幕上查看显示的电压（3.077）。

测量电压和电流必须以不同的方式进行。您必须从一侧到另一侧（从高侧到低侧）测量元件上的电压降，因为它测量的是两边之间的差异。就像您不能通过将两个引脚都接触电池的正极来点亮 LED 一样，您也不能通过将两个探针都接触电池的一侧来测量电压。相反，要测量电压，我们必须测量两个点之间的差异，因此探针必须接触两个不同的点——而不是同一个点（负极或正极）。

这是一张显示电压表（我们正在使用它来测量电池）的示意图。

我知道这似乎极其简单，但知道即使是仪表也可以在示意图中表示出来，这仍然很好，而且实际上它向我们展示了仪表的探针需要正确放置。在电压表的情况下，为了测量电压，仪表的探针必须放置在有电压差的地方，否则就没有电压可测量。我们将在后续内容中更多地讨论这一点。

这是仪表在没有两个探针接触时的另一张视图。屏幕上的值会随机滚动到不同的值，所以您需要忽略显示的值，因为它实际上并没有测量任何东西，而且是无意义的。图像显示电压为 13 mV，但它只是一个随机生成的值，因为它实际上并没有以任何方式测量电压差。

这里要记住的主要一点是，您看到的红线是一个探针（一端插入仪表，另一端指向电池）。黑探针也是如此。重点是只有两条线（两个探针），您可以用这两个探针测量电压。

我们将使用这两个相同的探针来测量电流，但红探针将被移到仪表上的另一个端口。但通用探针（黑色）将保留在同一端口。

测量电流

我们也可以测量电流，但必须与电路串联进行。与电路串联意味着万用表成为电路的一部分。为了更好地理解这一点，我们需要考虑什么是电路以及电子如何只通过连续连接的电路流动。

这个概念有时会让人困惑，所以如果你现在还不完全理解，不用担心。随着我们继续学习本书，它会变得更加清晰。我只是想让你知道，你必须以不同的方式测量电压和电流，并且我们可以使用仪表同时测量两者。

我在 SparkFun 网站上找到了一个数据手册

• https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/LED/COM-09590-YSL-R531R3D-D2.pdf

该数据手册列出了 SparkFun 出售的特定 LED 的绝对最大值，它们看起来像这样：

请注意，它指出最大正向电流不应超过 30 mA。然而，我的 CR2032 纽扣电池实际上提供了 40 mA。LED 的寿命很可能会因此缩短。但这对我们来说是可用的。

数据手册的另一部分还显示了最大电压

超过最大电压的影响

如您所见，最大电压为 2.2V。由于我们使用的是 3V 电池，我们驱动电子的速度太快了。这会产生更多的热量，并会大大缩短元件（柱、砧、塑料外壳）的寿命，因为材料的额定值达不到这个水平。

当然，由于我们只在短时间内通过周期性地将两个引脚接触纽扣电池来使用它，我们可能不会损坏 LED 到足以产生影响的程度。但如果将其焊接到电路中，LED 的使用寿命将明显缩短。

电流的测量方法

电流是通过在特定时间内通过某一点的电子数量来测量的。而电压以伏特为单位。电流以安培为单位，通常缩写为 A。一安培电流是指一库仑电子（6.24 x 10¹⁸ 或 62.4 亿亿个电子）在一秒钟内通过电路中的某一点。这可是大量的电子。

在我们的小电路中，我们不是一安培，只有 40 mA（毫安），也就是 0.040 安培。由于毫表示千分之一，这意味着四十千分之一安培。所以我们没有像这样快速地推动电子通过。但是，我们推动的电子数量超过了数据手册告诉我们的 LED 最大承受值 30 mA。由于电子在电路中产生摩擦，它们也会产生热量，而这种热量对我们的电路有害，因为它超过了容易消散的范围。

这是我使用万用表测量这个小电路中电流的方法。

这是我们的电路中电流表 (Ammeter) 的示意图。

这实际上表明我们的电流表是电路的一部分。换句话说，它是像我们添加其他任何物品到电路中一样添加的——例如 LED 或电阻器或任何其他元件。同样，随着我们继续学习本书，您将看到更多关于这与我们如何测量电压不同。

测量电压差的快速示例

但是，这是一个关于测量电压如何不同的快速示例。电压必须测量为两点之间的差值。在我们测量电池的原始示意图中，我们只从电池的正极测量到负极，所以很明显我们有电压差。但是，当电路中有元件时，情况有所不同。

如果您回顾我们测量电压的原始示意图（左侧显示）并与右侧的示例（包含一个额外的 LED 元件）进行比较，您可能会认为右侧那个测量电压是好的。但事实并非如此。

如果您仔细查看右侧的图，两个探针现在都在电路的负极上，并且没有电压差。当电路中有一个或多个元件时，我们需要确保我们测量的是元件上的电压。

我知道这可能仍然有些令人困惑，但这是测量 LED 元件上的电压的方法。

现在，正极探针位于电路的正极，负极探针位于负极，这时电压表上就会显示电压。同时请注意，这与电流表（测量电流）的测量方式不同。

这仍然可能令人困惑

所有这些解释和示例的重点只是向您介绍这些概念，以便您在学习更多知识时可以思考它们。如果仍然觉得令人困惑，没关系，因为我们会继续学习。当然，在接下来的章节中，我们将构建电路并用我们的电压表和电流表（万用表）进行测量，您将在现实生活中看到这些工作，而不仅仅是作为图像集。

产生大量热量

如果我们提高电压并增加电路中的电流，LED 就会熔化。这是因为电子在电路内部产生摩擦，而摩擦产生热量。最终，引脚可能会变得非常热，以至于如果您拿着它们，它们会烫伤您。过高的热量是使用电路时的危险之一，因此要非常小心。务必检查您的元件和电源，以便您正确考虑最大电压和电流。

您也开始看到电压和电流是紧密相关的，因为当我们提高电压时，电路中的电流通常会增加。这类似于水管中的水。如果您只将管道抬高几度，水就不会像您将管道抬高 45 度那样快速流动（水流速度会变慢）。在电路中的其他所有条件都相等的情况下，电压和电流成正比。当您提高电压时，电流也会随之增加。

我们如何控制电压？

有时，我们可能会遇到电压不太合适的电池。在我们的简单电路中，我们的电池源（3V）确实太高了，导致我们超过了 LED 的最大电流额定值。然而，制造一个正好符合我们每个电路所需电压的电池是困难的（甚至是不可能的）。但是，就像您可以制作限制水流量的管道一样，我们可以使用一个元件来限制电子（电流）在电路中的移动速度。

我们主要用这个元件叫做电阻，因为它会电阻电流流。它实际上是通过降低电路中的电压来电阻电流流的。

是的，一点数学很有帮助

由于电压和电流是相关的，我们可以学习一个非常小的公式，它允许我们计算应该使用多少电压才能在电路中获得特定的电流值。请不要被数学吓到。这和你在麦当劳用 5 美元买一个苹果派后计算还剩多少钱一样简单。

我的意思是，你经常做这类计算，而你不会出汗或害怕数学。

现在，你甚至不需要理解它。只需代入数字并获得你需要的答案。

欧姆定律

欧姆定律规定，电压（以伏特为单位）等于电路中的电流（以安培为单位）乘以电路中的电阻（以欧姆为单位）。

将其视为公式要简单得多。

Voltage = Current * Resistance

当然，人们会缩写，所以你可以看到它如下：

V= C*R  

然而，这背后有一些历史，最初电压被称为电动势。这很有道理，因为我们知道电压是推动电流通过电路的压力或力。

这就是为什么你会看到欧姆定律表述为：

E = C*R

这仍然意味着电压 = 电流 * 电阻。

但是，您实际上不会这样看到，因为电流是由法国研究人员称为“intensité de courant”（电流强度）命名的。所以 I 历史上一直用于表示电路中的电流。所以用 I 替换 C 代表电流，您将得到：

E = I*R

而且由于数学家们非常喜欢缩写，您通常会看到它为：

E=IR

不再更改

就是这样。我保证不再更改了。

有时，我们知道电压，也知道想要的电流，但我们不知道应该使用什么电阻（通过电阻元件）来获得想要的电流。

这是我们第一个电路的情况。

我们知道有 3V，我们也知道我们不希望超过 30 毫安，但我们不知道该使用什么电阻。为了计算这个，我们只需重新排列原始公式，以便我们可以解出 R（电阻）。

它看起来是这样的：

E/I = R

当然，这简单地意味着电压除以电流将给出我们需要的电阻的大小（以欧姆为单位）。

在我们的例子中，我们代入数字然后进行计算：

3 / .030 = R

3 / .030 = 100 Ohms

结果非常不错。所以，如果我们希望电路能够长期使用，我们只需要添加一个 100 欧姆的电阻，那么电流将被限制在 30 毫安的最大值。

但是，唉，现实世界并不精确，电阻器也不精确。它们只在一定的公差范围内是好的。当然，3V 电池也不精确，因为我一次测量到 2.92V，另一次测量到 3.077V。

如果我们代入实际电压，我们得到：

2.92 / .030 = R

2.92 / .030 = 97.333 (repeating decimal)

电子学的优点在于它不精确。一般来说，你可以稍微偏离一点。但当然，由于 LED 的最大电流是 30 毫安 (mA)，我们希望确保我们低于该值，这样如果出现浪涌，或者电池为 3.1V，我们就能应对。

我们可以通过稍微增加电阻来做到这一点。

我们不必凭猜测，我们可以选择一个我们喜欢的电流值，比 30mA 的最大值稍低，然后再次进行计算。

当然，如果我们选择的电流太低，LED 就不会那么亮，或者如果限制太多，LED 就不会亮起。回到数据手册。

我看到一行写着：

Suggestion* 很可能应该是 suggested（建议）。所以，数据手册说这个 LED 在 16 - 18 mA 的电流下效果最好。太好了。看，数据手册多有帮助！

我们选择最大最佳值 0.018 A。

3 / .018 = R

3 / .018 = 166.666 (repeating decimal)

电阻器没有那个精确的尺寸

当你去购买电阻器时，你会发现你找不到那种精确尺寸的。不过没关系，因为我们可以找到接近的。

在这种情况下，我们将稍微提高到 180 欧姆的电阻。

让我们使用 180 欧姆重新计算，以便知道最终的电流值。

由于我们不是为最终电流计算，我们希望我们的公式看起来像这样：

E / R = I

3 / 180 = .01666 (repeating decimal)

16mA 是一个很好的数值。但是，我们缺少一些信息，才能使我们的计算正确。

我们需要一些额外的信息

到目前为止，我们计算的所有内容都将是完全正确的，如果我们的电路只由电池、电线和电阻组成。然而，我们忘记了我们还有一个 LED 在电路中，LED 也会在我们的电路中产生电阻。这意味着实际流经电路的电流将低于我们之前计算的 18mA。

让我们看一下我们在第二章中要搭建的第一个简单电路，以便您了解这些元件的外观。

LED 的正向电压 (Vf)

这里的挑战是我们没有 LED 的电阻值，而是有 Vf（正向电压）下降发生在电阻器上。如数据手册所述，电压降将在 1.8-2.2V 之间。通常，我们只使用一个中间值，例如 1.9V 来进行计算。

为了计算所需的电阻大小，我们只需记住 LED 的 Vf（正向电压）并稍微改变我们之前的公式。

由于 LED 实际上会使我们的电池电压下降 1.9V，因此我们将之前的公式更改为如下形式：

Battery voltage (3) - LED Voltage drop Vf (1.9) / R (180) = I

从总电池电压 (3V) 中减去 LED 的正向电压降 (1.9V)。

3 - 1.9 = 1.1V

1.1V / 180(Ohm) = .006 = 6mA

同样，简化公式可能看起来像这样（我使用 Vb 表示电池电压）：

(Vb - Vf) / R = I 

(3V-1.9V) / 180 = .006

更低的电流可能会影响电路

6mA 是电路总电流的一个远低于我们之前计算的值（16mA）。了解这一点很重要，因为降低电流甚至可能导致 LED 不亮。

现在我们有效改变了总电压（由于 LED Vf 下降），我们应该重新计算目标电阻。

1.1V / .018 = R (target resistor size)

1.1V / .018 = 61.111

当然，正如我之前所说，你找不到所有计算值的电阻，所以我们这里就用一个 100 欧姆的电阻。同样，让我们重新计算，以便知道我们的目标电流。

1.1V / 100 = I (target current)

1.1 / 100 = .011 (11mA)

信息量很大

我们将在未来继续讨论这个概念，但我想让你现在知道它，因为它确实会影响电流，并且在你继续学习的过程中会帮助你学习。

总结公式

让我们总结一下欧姆定律的公式以及我刚才提供的新信息，这样您就不会被代数所困扰。

从任何两个值计算任何值

我们可以通过选择下面的公式并代入我们已知的两个数字来计算三个值（电压、电阻或电流）中的任何一个。

计算电压

E = IR  (easy multiplication)

计算电阻

R = E/I

计算电流

I = E/R

始终考虑 LED 的正向电压

当然，如果您在电路中添加 LED，您必须首先通过减去串联电路中每个 LED 的 Vf 下降来计算总电压。计算总电压当然很容易。只需从电池电压中减去 Vf 下降即可。

(Vb - Vf) = total voltage = E

我们将在稍后更多地讨论这一点，以及这是基尔霍夫电压定律的一部分。此外，在第三章中，我们将搭建一个类似的电路并用万用表进行测量，这样您就可以亲眼看到由于 LED 电压降导致电流降低。

不要太担心公式

不要太担心这些公式，因为随着时间的推移，它们会变得自然而然。如果此时它们仍然让您感到困惑，那没问题，我们将一起继续练习，到您读完本书的一半时，您将全部记住了，并且它们都会变得有意义。

本章学到了很多

您在本章中学到了很多东西，并且看到了您获得的知识如何实际应用于真实的电路。我知道本章只有一个电路，但您从该电路中学到的知识（极性、电压、电流、电阻）将使下一章中构建多个电路更容易理解。

本章不包含一个非常好的电路示例，因为它不是一个可以独立存在的电路。您必须用手拿着它。从现在开始，从第二章开始，我们所有的电路都将是独立的。为此，我们将使用面包板。

即将发布的章节

什么是面包板？

要原型化电路，需要使用一种称为面包板的物品来固定电线和元件，这样您就不必焊接即可进行测试。面包板是塑料块，提供底层电气（金属）连接，将元件固定在一起，就像它们是印刷电路板一样。我们将在第二章更详细地介绍它们。您将需要面包板以及本章开头列出的所有其他元件，所以请查看列表并订购零件，以便在您准备好时拥有它们。

所有重要的事情都是开关

在下一章中，我们将研究：

1. 开关的意外重要性——我希望这次谈话能让您兴奋和惊叹，因为您将发现一种思考自动化和开关的新方式。
2. 电子学中扮演开关角色的各种事物。开关是一个简单的概念，惊人（和令人觉醒）的是，开关在电子学中以多种方式实现。

历史

• 2018 年 1 月 4 日：首次发布