《电⼦元器件零基础⼊⻔》

第一章：电学基础

1.前序知识

了解一些原子相关的知识，会对电学中很多的概念和结论有更好的理解。

原子是构成物质的最小单位，它是由原子核和电子组成，其中原子核由质子和中子组成。

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下图为碳原子的简易模型图：

                                                  碳原子结构

1.1 质子（Proton）

质子带一个单位的正电荷，且质子数量决定着元素身份，改变了质子数量，也就改变了原子的类型。

举个例⼦：如果能从铅的原⼦核⾥移出3个质⼦，那就成功的⽤铅原⼦造出了⼀个⾦原 ⼦！ ⽽实际上：质⼦之间结合地⾮常紧密，⼏乎⽆法分开，这也是炼⾦术未能实现的原因。

拓展内容：现代物理学中的核反应堆、粒⼦加速器等可以实现上述过程，但所需能量和成本⾮常⾼，已经远超⻩⾦的价值了，⽽且这种反应通常很难精确控制，产出的⻩⾦量可能很少

1.2 中子（Neutron）

中子不带电，且中子对原子的影响远小于质子。

备注：电学领域通常不对中⼦进⾏深⼊探讨，因为它不带电荷，不直接影响电势、电流的 形成。

1.3 电子（Electron）

1.电子带一个单位的负电荷，它围绕原子核做无规则的运动。

备注：早期的『波尔模型』，将电⼦的运动⽐作成⾏星的“轨道运动”，但随着量⼦⼒学的 发展，这种⽐喻并不完全正确，所谓的“轨道”其实是电⼦出现的概率区域，并不不是⼀个 具体的路径。

2. 通常来说原⼦的质⼦数和电⼦数相等，其内部的正电荷与负电荷互相抵消，这时候原⼦呈电中 性。

3. 电⼦层：电⼦围绕原⼦核活动的范围。

每个电⼦层上最多可容纳的电⼦数为 ： 2n （n是电⼦层的编号）例如：

1. 第⼀层（n=1）最多容纳： 2 * 1 = 2 个电⼦

2. 第⼆层（n=2）最多容纳： 2 * 2 = 8 个电⼦

3. 第三层（n=3）最多容纳： 2 * 3 = 18 个电⼦

备注：2n 计算的是每⼀层理论上的极限值，但实际上，并⾮所有电⼦层都会完全填满， 因为每⼀层还分为多个亚层，电⼦会按照能量从低到⾼，依次填充这些亚层。

4. 最外层电⼦数为 8个时，通常是较稳定的状态。

许多元素在化学反应中，会倾向于通过：获得电⼦、失去电⼦、共享电⼦，来尽可能达到 8个电⼦的稳定结构，这个现象被称为：⼋隅规则；当然也有⼀些例外的元素，例如：氢 (H) 、氦 (He)只需要 2 个电⼦就能达到稳定状态。

5. 不同电荷之间互相吸引，相同电荷之间互相排斥，具体计算参考库伦定律：

6. 最外层的电⼦更容易脱离原⼦，因为它们与原⼦核的距离较远，受到的引⼒较弱。

1.4『⽯墨』与『⾦刚⽯』 ● ⽯墨：每个碳原⼦与周边 3个 碳原⼦分别建⽴共价键，最终外层剩余 1个 未成键的电⼦，这个电⼦可以在不同的原⼦之间⾃由移动，所以⽯墨是导体。

备注：⽯墨的层与层之间是靠『范德华⼒』结合在⼀起的，范德华⼒是⼀种弱的分⼦间作⽤⼒，因此⽯墨的各个层之间可以很容易地滑动，所以⽯墨可以作为：润滑剂、铅笔芯 等。

● ⾦刚⽯：每个碳原⼦与周边 4个 碳原⼦分别建⽴共价键，形成⼀个⾮常坚硬的⽴体⽹状结 构，没有⾃由电⼦，所以⾦刚⽯是绝缘体。

备注：碳原⼦之间共价键内的电⼦活动范围相对较⼩，且共价键内的电⼦被两个原⼦核共 同吸引，所以碳原⼦之间共价键内的电⼦相对稳定，不会轻易脱落，除⾮有⾜够的能量来 打破这个键。

2 电流

概念：电荷的定向移动，形成了电流，衡量电流的大小，要看单位时间内通过导体横截面的电荷量。

注意：电学上定义的『电流⽅向』是正电荷的流动的⽅向，这个概念在19世纪初就先被定 义了，后来虽然发现了是电⼦在移动，但为了保持定义的统⼀性，『电流⽅向』仍然⽤正 电荷的流动去定义，所以『电流⽅向』与『电⼦移动⽅向』是相反的。

单位：安培（A）

常见电器的工作电流：

3. 电场、电势、电势能

为了能更好的理解⼀些抽象的概念，我们⽤重⼒场中的相关概念，去类⽐电场中的相关概念。

3.1 重⼒场、电场

重⼒场：在地球周围存在，有质量的物体进⼊该区域后，会受到被拉向中⼼的⼒。

电 场：在电荷周围存在，带电的粒⼦进⼊这个区域后，会受到吸引⼒或排斥⼒。

沿着电场线⽅向，电场的强度会逐渐减弱，且⽆论正电荷还是负电荷，⽆穷远处的电场强度为 0。

3.2 重⼒势能、电势能

重⼒势能：描述物体在重⼒场中所具备的能量，与所处位置、物体质量，均有关。

电势能：描述带电粒⼦在电场中所具备的能量，与所处位置、粒⼦带电量，均有关。

左图中：桌⼦⾼度越⾼、⼩球质量越⼤，它所具备的重⼒势能就越⼤。

右图中：电场中试探电荷距离中⼼电荷距离越近、试探电荷所带电量越多，电势能就越⼤。

3.3 重⼒势、电势

左图中：B 点距离地⾯的⾼度⼤于 A 点，所以 B 点的重⼒势⼤于 A 点。

右图中：B 点与中⼼电荷的距离⽐ A 点更近，所以 B 点的电势⼤于 A 点。

4.电压

概念：又称电势差，是两点之间电势的差值，衡量电压的大小，要看两点电势差的大小。

单位：伏特（V）

1V 的含义是：电场 对 1库伦(C) 电荷，做了 1焦⽿(J) 的功。

单位换算：进位为1000，例如 1kV = 1000V

常见的电源的电压：

5.电阻

概念：材料或元器件对电流流动的阻碍程度。

单位：欧姆（简称欧），符号是Ω。

1Ω 的含义：给导体施加 1V 电压，此时如果导体的电流为1A，那这个导体的电阻就是1Ω。

补充内容：

6.电路

电源：物理学中将提供电能的装置叫做电源。

用电器：将灯泡、电动机、等这类消耗电能的装置叫做用电器。

电路：电源、用电器，再加上导线、开关等，就组成了电流可以流过的路径，这就是电路。

电路图：在绘制电路图时，为了绘制简单且方便研究，通常用图形符号来表示元件。

例：

7.欧姆定律

内容：导体中的电流，与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。

推导结论：在电阻不变的情况下，电压越大，电流也会越大。

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8.直流电VS交流电

8.1 直流电

定义：有固定的正负极，且电流的方向始终不变的电流，全称：Direct Current，简称 DC。

举例：⼲电池、锂电池、光伏发电板等。

8.2 交流电

定义：电流的方向随时间做周期性变化的电流，全称：Alternating Current，简称 AC。

交流电的电流⽅向⼀定做周期性变化，但电流⼤⼩不⼀定做周期性变化！

举例：家庭用电

8.3 扩展内容（了解）

家庭⽤电为的 220V-50Hz 的正弦交流电，下⾯是关于家⽤交流电的⼀些总结性内容：

『整流』与『逆变』：

9. 弱电与强电

弱电：电压⼀般较低，⾏业规定安全电压为不⾼于36V，弱电通常⽤于直流电路（3.3V、 5V、12V）、弱电也能于信号传递，例如：⾳频和视频线路、⽹络线路、电话线等。

强电：电压⼀般很⾼，例如：220V 的家⽤电，1000V 及以上的⾼压电，强电常⽤于传递能量。

10. 家庭电路（了解）

此部分内容属于电⼯学内容，但也属于电学的相关的常识性内容，不必深究，了解⼀下就好。

11.串联与并联

11.1 串联电路

11.2并联电路

3. 串并联练习

13. 焦⽿定律

内容：电流通过导体产⽣的热量与电流的平⽅成正⽐，跟导体的电阻成正⽐，跟通电时间成正比。

第二章：常见电子元器件

1.两种常见的封装形式(插件封装THT、贴片封装SMT)

2.元器件采购

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3.直流稳压电源

直流稳压电源：将输入电源转换为稳定直流输出的设备，具备可调电压/电流、过载保护等功能，是电子维修调试与嵌入式系统供电的核心设备。

4.电阻器

4.1 概述

概念：在电路中产生电阻的元器件，主要作用是阻碍电流的流动，是电子设备中最常见的元器件之一。

分类：固定电阻、可变电阻、特种电阻。

特别注意：电阻的『外观⼤⼩』和『阻值⼤⼩』没有必然联系！

但是『外观⼤⼩』往往和 『功率』正相关，外观⼤的⼀般能承受住较⼤的功率。

4.2 固定电阻

固定电阻的阻值不可调节，其阻值在一定的温度范围内保持稳定。

4.3 可调电阻

可调电阻的阻值，可以⼿动调节，相⽐于固定电阻，主要多了⼀个调节电阻的指针，常⻅的封装类 型有：微调式，多转式，旋转式，滑动式等。

4.5 阻值识别

1. 直标法

5. ⾊环法

⽤不同颜⾊的⾊环来表示阻值和精度。

⼀般来说，电阻器上会有4个或5个⾊环，每个⾊环代表⼀ 个数字或⼀个特定的系数，根据⾊环的位置和颜⾊可以确定电阻的阻值和精度。

因印刷⼯艺、以及⾊差问题，⼀般很少读⾊环，通常直接⽤万⽤表测量。

4.6 阻值标准

思考⼀下：为什么电阻的阻值，都这么奇葩？如： 2.7Ω 、 3.9Ω 、 6.8Ω 。

假如我们是电阻⼚家，要做⼀批精度为10% 的电阻，要如何划分阻值区间呢？按照如下⼏种设计 是不⾏的，因为并没有做到阻值全覆盖，我们的⽬标是：让阻值分布配合精度后，尽可能达到阻值 全覆盖。

4.7 元器件数据⼿册

元器件数据⼿册是选型和应⽤电⼦元器件时的核⼼参考资料，由制造商提供，全⾯记录元器件的技 术规格、功能描述、应⽤⽅法及可靠性数据。

5.电容器

5.1 何为电容？

何为电容：顾名思义就是“储电荷的容器”，由两个彼此绝缘的极板组成，中间夹有电介质（绝缘 材料），当在电容器的两个极板之间施加电压时，极板上会积累电荷，电容最核⼼的功能是：充 电、放电。

1. 与电池相⽐，电容可以实现瞬间放电，电池是靠储存的化学能，慢慢的释放能量。

2. 电容充电过程中，充电速度是逐渐变慢的，最终两极板间电压与外部电压⼀致时停⽌充电。

5.3. 电容的特点

电容的核⼼特点是：充电、放电、隔直流、通交流。

1.充电与放电

3.阻抗的概念

4.滤波作⽤

电容并联在电源两端，电容会接替交流电的负半个周期进⾏放电，⼩灯牌⼀直处于常亮状态。

5.全波整流

整流就是把交流转换成直流。

可以把交流电想象成⼀条双向⻋道（电流⽅向来回变），现在需要把这条路改成单⾏道 （直流电），全波整流就像⼀座聪明的⽴交桥，能让两个⽅向的⻋流都变成同⼀个⽅向！ 全波整流⽐半波整流效率更⾼。

5.4 常见电容器

1.陶瓷电容

4.贴片电解电容

6.6 电感的⼤⼩识别

2.2. N 型半导体

向硅晶体中掺杂少量的磷原⼦，磷原⼦最外层有 5 个电⼦，只能和周围的 4 个硅原⼦组成 4 个共 价键，这样每个磷原⼦可以贡献 1 个⾃由电⼦。

2.3 P 型半导体

向硅晶体中掺⼊硼原⼦，硼原⼦最外层只有3个电⼦，硼原⼦会努⼒去周围的硅原⼦形成 4 个共价 键，不过因为缺1个电⼦，所以会有⼀个共价键的位置期待1个⾃由电⼦，这个位置会形成“空⽳’， 由于“空⽳”是期待得到⼀个电⼦的，所以也可以认为空⽳带正电。

3. PN 结

3.1. 概述

PN结是半导体器件的基础结构，由P型半导体和N型半导体通过特殊⼯艺结合⽽成，它在⼆极管、 晶体管等器件中起着⾮常重要的作⽤。

P型半导体、与N型半导体的微观图示：

3.2 内建电场的形成

将『P型半导体』与『N型半导体』组合到⼀起， N区的电⼦会扩散到P区与空⽳组合，N区因缺少 电⼦⽽带正电，P区因得到电⼦⽽带负电，这样在内部就形成了⼀个『内建电场』，由于内建电场 的存在，阻⽌了更多的电⼦从N区扩散到P区，于是中间就形成了⼀层“耗尽区”。

4. ⼆极管  

4.1. 概述

⼆极管是⼀种由PN结构成的电⼦器件，具有单向导电性，即：只允许电流从P区流向N区，反向⽆ 法导通。

4.3 稳压⼆极管

概述：稳压⼆极管利⽤了⼆极管的反向击穿特性，它在反向击穿后，可以将其两端电压，维持在⼀ 个相对恒定的值附近，它可以为电⼦设备提供稳定的电压，并防⽌过压损害。

6. 场效应管之： MOS管