实用指南：电路基础与PCB设计（一）电路

电路基础

1 欧姆定律 —— 电路的“万恶之源”

• 基本概念

  • 电压 (V)：电场中推动电荷移动的“压力”。生活中常见的电源电压是 220V、380V。

  • 电流 (I)：电荷流动的速率。生活常用电器的电流多在 10A 左右。

  • 电阻 (R)：电荷运动的阻力。

  • 关系：I = U / R

• 电荷说明

  • 正电荷：原子失去电子后形成，但本身不能移动。

  • 电子：自由电子允许移动，方向与电流方向相反。

• 实际测量
  通电后只能测量电流、电压、通断性，不能直接测电阻。

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2 电阻 —— 最常用的基础元件

2.1 电阻概述

• 作用：限流、降压、分压、保护电路。

• 特殊电阻：可作传感器（如热敏电阻、光敏电阻）。

• 电功率：电阻在工作时会消耗功率并产生热量。

2.2 串联与并联

• 串联

  • 电压和电流被分配。

  • 作用：分压 + 限流，用于后续器件保护。

• 并联

  • 两端电压相同，总电阻减小。

  • 作用：分流，增强可靠性，调节参数。

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3 电容 —— 电荷的“小水库”

3.1 电容概述

• 定义：在给定电位差下储存的电荷量，C = Q / U。

• 单位换算：1F = 1000mF = 1000000μF。

• 构成：两块导体（极板）+ 绝缘介质。

• 原理：加电压 → 极板一边积正电荷，另一边积负电荷。

3.2 电容压降

• 特性：阻直流，通交流。

• 直流时：阻抗无穷大，相当于断路。

• 交流时：阻抗 Z = 1 / (2πfC)，频率越高阻抗越小。

• 应用：在交流电路中充当电阻。

3.3 高通滤波器

• 作用：允许高频信号通过，阻止直流和低频。

• 应用：去掉直流偏置，只传递交流信号。

3.4 旁路滤波

• 原理：电容“通交流阻直流”。

• 应用：放在电源端，旁路掉高频干扰，保证直流稳定。

3.5 MCU 信号耦合

• 芯片通信信号常带直流分量。

• 电容隔直流，保留交流信号，保证通信稳定。

3.6 RC 延时电路

• R + C 的充放电特性使电压/电流缓慢上升。

• 应用：上电延时、防止冲击电流，保护芯片。

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4 二极管 —— 电路保护的关键器件 【重点】

4.1 概述

• P 型半导体：三价杂质 → 产生空穴 → 空穴为关键载流子。

• N 型半导体：五价杂质 → 多余电子 → 自由电子为首要载流子。

• 结合形成 PN 结 → 二极管。

4.2 防反接

• 二极管单向导通，避免电源接反损坏电路。

4.3 钳位效应 【重点】

• 正常导通时有 0.7V 压降。

• 应用：输入 5V 电路，若超过 5.7V，二极管导通，将多余电压泄放，保护电路。

4.4 交流限幅

• 二极管限制电压在 ±0.7V（两只对称二极管时可到 ±1.4V）。

• 应用：交流信号限幅保护。

4.5 收音机原理 【重点】

• LC 谐振电路：电感 + 电容形成选频电路，只接收目标频率。

• 二极管检波：单向导通，只保留交流的一半。

• 电容滤波：滤掉高频，只留下低频音频信号给耳机。

• 实质：从高频载波中提取低频原始信息（调幅解调）。

4.6 二极管整流桥【重点】

二极管整流桥的作用是把交流电的电流方向统一，保证进入负载的电压始终保持同一方向。在整流桥的基础上，如果再加入电容，就能把电流进一步平滑，输出接近直流的电压。

例如风扇的“弱风档”，就是利用二极管的半波整流特性，把进入负载的电流减少一半，从而使电机的功率减半，转速也降低。

4.7 二极管升压/倍压

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5 三极管

5.1 三极管概述

三极管的基本功能是：用小电流/小电压去控制大电流电路。
这解决了 MCU 芯片无法直接驱动高功耗器件的问题。

举例：MCU 输出电压一般是3.3V，最大电流 20mA：就是，那么最大功率就
3.3V × 0.02A =0.066W。
必须借助三极管。就是该功率很小，直接驱动不了电机、继电器之类的外设，于

5.2 三极管电路分析

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6 MOS 管

6.1 N 沟道 MOS 管

6.2 P 沟道 MOS 管

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7 光耦

把电信号转换成光信号，再由光信号去控制电信号。这样能实现就是光耦的作用电气隔离，保护 MCU。

一个典型的设计是：

• MCU 通过 NPN 型三极管，用小电流去控制12V 的电路；

• 12V 驱动一个光耦模块；

• 光耦模块再去驱动外部的24V 电路，比如电机。

这样，MCU 就能通过编程来控制外部大功率设备，同时利用光耦和三极管达成电路隔离，保护 MCU 不被高压损坏。