模电基础-开关电路和NE555

模电基础

一、开关电路

• 开关电路是现代电子技术的基石，其核心原理是**“以电控电”**。

• 它通过控制信号，精确地管理电流或电压的通断与流动，从而驱动和控制负载。

• 作为电子电路设计中不可或缺的组成部分，开关电路的应用无处不在，从日常电器到计算机的逻辑运算，都离不开这一基本而关键的技术。

1.1 继电器

• 继电器是一种电气元器件，它通过接受一个电信号来控制另一个电路中的电压或电流。
• 继电器的作用：通过电流控制电路通断的一种开关装置。

1.1.1 继电器的工作原理

• 科普视频：https://www.bilibili.com/video/BV1Yc411x7Qs

• 电磁效应来控制电路开关的装置，它分为两个部分：控制电路（线圈D、E）和工作电路（触点A、B、C）

  中文名称	英文缩写	图中对应点	线圈未通电时 (常态)	线圈通电时
  动触点(公共端)	COM	B	与A连接	与C连接
  常闭触点	NC	A	与B连接	与B断开
  常开触点	NO	C	与B断开	与B连接

1. 通电状态（控制电路开启）：
   • 当控制电路的D和E端通电时，电磁铁线圈中产生电流，从而产生磁场。
   • 强大的磁力会吸引衔铁向下运动。
   • 衔铁带动触点，使公共端B与常开触点C接通，形成闭合回路。此时，B与A是断开的。
2. 断电状态（控制电路关闭）：
   • 当控制电路的D和E端断电时，电磁铁的磁性消失。
   • 在弹簧的拉力作用下，衔铁被拉回原来的位置。
   • 衔铁带动触点，使公共端B与常开触点C断开，同时与常闭触点A接通，形成闭合回路。

1.1.2 继电器仿真

• 断电状态

  • 开关断开，线圈不通电，就不会产生磁力，那么继电器的动触点与常闭触点连接，所以绿色灯点亮

• 通电状态

  • 开关闭合，线圈得电，产生磁力，吸引衔铁，那么继电器的动触点与常开触点连接，所以红色灯亮

1.1.3 弱电控制强电仿真

• 核心原理是：利用一个低电压、小电流的“弱电”信号，通过继电器去安全地控制一个高电压、大电流的“强电”电路的通断。

  

  

具体工作流程如下：

1. 当开关断开时（初始状态）

• 弱电部分：+5V的电路是断开的，没有电流流过继电器的线圈。
• 继电器：内部的电磁铁没有磁性，其内部的开关保持在断开状态。
• 强电部分：因为继电器的开路，交流220V的电路是断开的。
• 结果：灯泡不亮。

2. 当开关闭合时

• 弱电部分：+5V的电源通过闭合的开关，流向继电器的线圈，然后到地，形成一个完整回路。
• 继电器：线圈通电后产生磁场（变成一个电磁铁），这个磁场会吸合继电器内部的开关，使其闭合。
• 强电部分：继电器内部的开关闭合后，将交流220V的电路接通。电流从220V电源流出，经过继电器，点亮灯泡，最后回到另一端。
• 结果：灯泡被点亮。

1.2 二极管

• 二极管是一种由P型和N型半导体构成，核心为P-N结的电子元件。

• 其最显著的特性是单向导电性，即电流只能从正极流向负极，反向则被截止。

• 因为二极管只允许电流在一个方向上通过，所以它在电子学中有很多用途。

  • 利用其单向导电性进行整流（将交流电转换为直流电），是充电器、电源适配器等设备的关键部件。

1.2.1 二极管工作原理

• 二极管工作原理视频：https://www.bilibili.com/video/BV1P3411f7dr

第1步：加工P型半导体，N型半导体

• P型半导体

  • 给硅晶体中加入3价硼原子，硼最外层只有有3个电子，所以形成空位。
  • 硅原子的电子填补空位后，失去电子就形成空穴。
  • 那么硅晶体电子数量减少，空穴增多。空穴带正电，用P（Positive）表示，所以叫P型半导体。
  • 而硼原子因得到电子后，成为带负电的硼离子。

• N型半导体

  • 给硅晶体中加入5价磷原子，磷原子最外层有5个电子，

  • 所以会多出电子，成为自由电子，电子带负电用N（Negative）表示，所以叫N型半导体。

  • 而磷原子因失去电子，成为带正电的磷离子。

第2步：PN结形成

• 空穴带正电，电子带负电

• 将P型半导体与N型半导体制作在一起，因为N区的电子浓度大于P区电子浓度，所以电子会进行扩散运动。

• P区与N区交界处，电子与空穴复合，由硼离子和磷离子构成空间电荷区，内电场方向由N指向P，形成的电场方向阻止电子继续扩散运动，形成PN结。

1.2.2 正向导通

• 外加的正向电压克服了PN结内部的阻碍电场，使得大量电荷（电子和空穴）能够顺利通过，从而形成电流。

• 正向电压就像一个推手，把P区和N区的电荷都推向中间，强行打通了原本堵塞的“关卡”（PN结），电路就导通了。

• 空穴带正电，电子带负电

1.2.3 反向截止

• 外加的反向电压增强了PN结内部的阻碍电场，使得电荷（电子和空穴）被拉离结区，导致电路无法导通。
• 反向电压把P区和N区的电荷都往两边拉，使得中间的“关卡”（PN结）变得更宽更难逾越，从而堵死了电流的通路。

1.2.4 单向导电性仿真

• 左图（正向导通）：
  • 二极管的箭头方向与电流方向（从高电压到地）一致。
  • 结果：电路导通，产生了 179mA（毫安）的大电流。
• 右图（反向截止）：
  • 二极管的箭头方向与电流方向相反。
  • 结果：电路被阻断，只有 171.4nA（纳安）的极微弱漏电流。

1.2.5 半波整流

• **核心原理：**利用二极管的单向导电性，将交流电中一个方向的波形保留下来，而滤掉另一个方向的波形，从而将交流电转换为脉动的直流电。
• 这个电路就像一个筛子，只允许交流电的“正半边”通过，把“负半边”全部挡住，从而实现了将交流电“矫正”成单向（但仍在波动）的直流电，这个过程就叫半波整流。

具体分析如下：

• 当交流电处于正半周时，电流方向与二极管的箭头方向一致，二极管导通，电流可以流过电阻。
• 当交流电处于负半周时，电流试图反向流动，但被二极管截止，电路中几乎没有电流。

1.2.6 带滤波器的全波整流

• **核心原理：**先利用二极管桥把交流电的正负半周都“翻转”成正向，然后再用电容器进行“储能-放电”来填平波谷，从而获得一个更平滑、更接近于纯直流的电压。
• 整流桥将AC变为了脉动DC，电容再将脉动DC“削峰填谷”，变成了更平稳的直流电。 这是将交流电转换为直流电最常用、最高效的方法之一。

过程分析：

1. 全波整流 (由四个二极管组成的“整流桥”完成)

   • 无论交流电处于正半周还是负半周，整流桥都能巧妙地改变电流路径，确保最终流向负载的电流方向始终是单一的。
   • 与之前的半波整流相比，它把原始交流电的负半周也利用了起来，翻转成了正向的脉冲，能量利用率更高。

2. 电容滤波 (由并联的电容完成)

   • 充电：当整流后的电压上升时（在波峰附近），电容器会快速充电，储存电能。

   • 放电：当整流后的电压从波峰开始下降时，电容器会向负载（430Ω电阻）缓慢放电，用自己储存的电能“填补”了电压的波谷。

1.3 三极管

1.3.1 工作原理

三极管是一种核心电子元件，其关键作用是用基极的小电流，去控制集电极与发射极之间的大电流。

因此，它的主要功能就是信号放大和用作电子开关。

1. 基本原理：
   • 基极 (Base): 是控制阀门的小开关。
   • 集电极 (Collector): 是有大量水的主水管。
   • 发射极 (Emitter): 是总的出水口。
2. 核心功能 (以小控大):
   • 放大：给基极一个很小的控制电流（像轻轻转动阀门），就能控制从集电极流向发射极的巨大主电流（主水管的水流）。
   • 开关：
     • 基极没电流 → 阀门关闭 → 主水管不通 (关)。
     • 基极有电流 → 阀门打开 → 主水管导通 (开)。

1.3.2 三极管类型

特性	PNP 三极管	NPN 三极管
结构	两片P型半导体夹一片N型半导体	两片N型半导体夹一片P型半导体
电路符号	箭头指向基极 (P->N)	箭头背离基极 (P->N)
导通条件	基极(Base)低电压导通	基极(Base)高电压导通
电流方向	电流从发射极(Emitter)流入	电流从集电极(Collector)流入
记忆技巧	PNP符号箭头Points iN Perpetually (永远指向内)	NPN符号箭头Not Pointing iN (不指向内)

1.3.3 三极管仿真

1.3.4 三极管应用

• 单片机 I/O 口的驱动能力非常有限

  • 电流不足： 单片机的一个引脚通常只能输出很小的电流（例如 5-20mA）。而电机，即使是小型的震动电机，也需要大得多的电流（例如 50-100mA 或更高）才能正常工作。如果直连，电机可能不动。

• 三极管主要功能就是信号放大和用作电子开关

  • 它用单片机输出的 小电流 ，去控制流过电机的 大电流。
  • 三极管作为“开关”控制由更高电压 VCC 驱动的电机。

1.4 MOS管

1.4.1 MOS管简介

• 科普视频：https://www.bilibili.com/video/BV1344y167qm

• 基本构成: MOS管 (场效应管) 是一种半导体器件，有三个引脚：栅极 (Gate, G)、源极 (Source, S) 和漏极 (Drain, D)。

• 核心原理: 电压控制。

  • 它利用栅极的电压来控制源极和漏极之间的导通状态。

• 工作过程:

  1. 施加电压: 在栅极 (G) 上施加一个正电压。
  2. 形成电场: 该电压会在栅极和半导体衬底之间产生一个电场。
  3. 形成沟道: 电场吸引自由电子，在源极 (S) 和漏极 (D) 之间形成一条临时的导电“沟道”。
  4. 实现导通: S极和D极通过这条沟道连接起来，允许电流流过。

• 控制方式: 施加在栅极的电压大小决定了电场的强度，进而决定了导电沟道的宽度。电压越高，沟道越宽，电阻越小，导通能力越强；反之亦然。

  

  • 当栅极 (Gate) 施加正电压 (+) 时（右上图），会吸引P型衬底中的少数载流子——电子 (e⁻) ——聚集在栅极正下方的表面，形成一个连接源极和漏极的导电层。因为这个导电沟道是由电子（带负电荷的载流子）构成的，所以称为“N沟道”。
  • 当栅极施加负电压 (-) 时（右下图），会排斥电子，吸引P型衬底中的多数载流子——空穴，无法形成导电沟道，晶体管处于关断状态。

• 和三极管区别

  	MOS管 (场效应管)	三极管 (BJT)
  控制方式	电压控制（给电压就工作）	电流控制（给电流才工作）
  功耗	极低（静态时不耗电，很省电）	有（工作时一直有基极电流消耗）
  开关速度	快	慢
  驱动	简单（驱动电路轻松）	复杂（驱动电路需要“费力”提供电流）
  用途	效率、速度要求高的场合	低成本、模拟信号放大的场合

1.4.2 MOS管类型

1.4.3 MOS管仿真

二、NE555

2.1 简介

• NE555芯片手册：https://item.szlcsc.com/datasheet/NE555/5796624.html

• 定义与地位：NE555是一款经典的模拟集成电路，也被称为“555计时器”。它是模拟电路中最重要的元件之一，常被视为学习模拟电路的入门基石。

• 功能：利用模拟元件（电阻和电容）的充放电过程来控制时间，其输出是一个纯粹的数字信号（只有高电平和低电平两种状态）

• 历史与流行度：于上世纪70年代问世，历经数十年技术发展，至今依然因其卓越的设计而备受欢迎。

• 核心特点：

  • 通用性强：无论是简单的玩具，还是复杂的工业控制系统，都能找到它的身影。
  • 可靠稳定：电路性能稳定，不易损坏。
  • 成本低廉：价格经济，适合大规模应用和教学。

• 主要应用：

  • 定时器：实现精确的延时控制。
  • 振荡器：产生方波、脉冲信号（多谐振荡器）。
  • 脉冲调制：用于脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）。

• 信号发生器：作为各类信号波形的来源。

• 功能框图和引脚说明

2.2 比较器

• 如果 V+ 的电压 > V- 的电压：输出端 Vout 会输出一个高电平（通常接近正电源电压）。

• 如果 V- 的电压 > V+ 的电压：输出端 Vout 会输出一个低电平（通常接近负电源电压或地）。

2.3 非门

• 如果输入是高电平（代表逻辑上的“1”或“真”），输出就是低电平（代表逻辑上的“0”或“假”）。

• 如果输入是低电平（代表逻辑上的“0”或“假”），输出就是高电平（代表逻辑上的“1”或“真”）。

2.4 或非门

2.5 双稳态触发器

• SR锁存器（SR Latch），它是双稳态触发器中最基本的一种。

• 双稳态触发器是一种带有记忆功能的逻辑电路，主要由两个或非门组成。

  • “双稳态” 的意思是它有两个稳定的状态（通常是输出Q=0或Q=1）。
  • 一旦被设置成其中一个状态，即使输入的信号消失了，它也能像记住了一样，将该状态保持下去。
  • 这个特性是所有数字存储设备（如RAM、寄存器）的基础。

复位 R	置位 S	Q	Q̄	说明
0	0	Q (保持不变)	Q̄ (保持不变)	保持状态 (Hold)
0	1	1	0	置位状态 (Set)
1	0	0	1	复位状态 (Reset)
1	1	0	0	无效/禁用状态 (Invalid)

2.6 NE555仿真

2.6.1 手动版

2.6.2 自动版

2.6.3 周期_占空比介绍

• 核心原理： NE555定时器通过内部比较器，将电容器的充电上限和放电下限分别设定在电源电压的 2/3 和 1/3 处。

• 时间计算： 电容器在电路中从 1/3 Vcc 充电到 2/3 Vcc（或反向放电）所需的时间 t，可以通过RC电路的指数定律精确计算得出，其结果为 t = ln(2) × R × C。

• C代表**电容器的电容值 **，单位为法拉

• 公式应用： 将ln(2)近似为0.693，就得到了NE555定时器中常用的计算公式。例如，在典型的无稳态电路中：

  • 高电平时间： T_h = 0.693 × (Ra + Rb) × C
  • 低电平时间： T_l = 0.693 × Rb× C
  • 总周期： T = T_h + T_l = 0.693 × (Ra + 2×Rb) × C

2.6.4 声音和频率

• 声音是由物体振动产生的，物体振动的频率越高，声音越尖。

• 正常人说话时，声带的振动大概是每分钟100~250次，歌手唱歌在唱到高音部分的时候每分钟可以达到1000次以上。

• 音乐中的音符也有固定的频率，详情如下：

  哆来咪发唆拉西哆（Do-Re-Mi-Fa-So-La-Ti-Do’）是音乐中的一个音阶记号，也是西方音乐中最基本的一个音阶。

  音符	低音频/Hz	中音频/Hz	高音频/Hz
  do	262	523	1047
  re	294	587	1175
  mi	330	659	1318
  fa	349	698	1397
  so	392	784	1568
  la	440	880	1760
  si	494	988	1976
  do’	523	1046	2093

2.6.5 电子琴案例

• 频率：周期的倒数就是频率

  • 周期T = T_h + T_l = 0.693 × (R1 + 2×R2) × C
  • 可以通过调整电阻值和电容值，改变输出频率

• 可通过控制NE555的电阻输出指定的频率，将频率的输出链接到蜂鸣器上即可发出音阶中的do, re, mi, fa, so, la, si, do’

• 实物图

  

• 原理图