电子基础：我的自学笔记
我想做到看着一块电路板，就能说出每个元件在干什么。这些笔记就是我零基础自学时攒下来的。看完之后，你应该能说清：为什么 LED 前面要串一个电阻、电容能做哪些电阻做不到的事、以及为什么流进一个点的电流等于流出去的电流。
注： 文中的图片仅用于教育与自学目的。
水管类比：一个还不错的起点
想快速建立直觉，先拿一根水管来想。
- 电压（V）： 推力，单位是伏特。相当于水压。
- 电流（I）： 每秒流过多少电荷，单位是安培。相当于每秒多少升水。
- 电阻（R）： 对电流的阻碍，单位是欧姆。相当于水管有多细。
欧姆定律：V = I × R
读法是：电阻不变时，电压越大，电流越大。电压不变时，电阻越大，电流越小。水管这个比喻不完美，但入门够用。
更深入的理解：按下开关到底发生了什么
按一下开关，灯泡立刻亮。那电子是以光速从电池冲到灯泡里的吗？并不是。这是我学电子时最反直觉的一件事。
电子爬得那么慢，灯为什么瞬间就亮？
铜导线里本来就到处都是自由电子。它们待在金属原子的缝隙里，就像一根已经灌满水的水管。
一加上电压，这些电子就开始慢慢漂移，但一路上不断撞上金属原子。它们的净速度只有每秒几十微米，比蜗牛还慢。
那灯为什么瞬间就亮？因为能量不在电子身上传。能量以电场的形式传播，电场几乎立刻铺满整个回路，速度是光速的 60% 到 90%。整根导线上的电子在同一时刻被推动。
所以我们说的“电”，主要是场在动，而不是电子在跑。
那电压到底是什么？
电池用化学能把负电荷推到一端、正电荷推到另一端。这种分离在电路里建立起电场。电荷在电场里移动时，电场对它做功。电压就是这个功除以电荷量。
基尔霍夫定律
下面两条规律来自两件不能被创造也不能被消灭的东西：电荷和能量。它们是电路分析里最有用的两条事实。
基尔霍夫电流定律（KCL）
为什么流进去的电流等于流出来的电流
在导线交汇的任意一点上，流进去的电流一定等于流出来的电流。电荷没法在那里堆积：如果流进的多于流出的，负电荷就会积起来，而同种电荷互相排斥。这个斥力会立刻把多出来的电荷推出去。所以这条规律精确成立。
基尔霍夫电压定律（KVL）
为什么绕一圈，电压会互相抵消
电池就像一部电梯：它消耗化学能，把电荷抬到更高的能量位置。电荷流过电路其他部分时，把这些能量交出去，大部分变成热。等它回到电池时，已经一点都不剩。所以一圈里所有的电压升高和降低，正好抵消。
电阻器
电阻器是电子元件里最简单的一个：它让电流更难通过。它有两个用处。一个是限制电流，让 LED 不烧掉。另一个是把电压分出一部分，得到更小的电压。
电阻器里面是什么？
- 陶瓷棒。 支撑整个元件的实心核心。
- 碳膜。 棒表面的一层薄碳。真正起阻碍作用的就是它。
- 螺旋槽。 用激光在碳膜上割出一条螺旋。路径又短又宽，阻值就低。又长又细，阻值就高。
- 端帽和引脚。 两端的金属帽，加上焊在帽上的金属丝脚。
- 涂层和色环。 一层绝缘漆，加上用颜色标出的阻值。
阻值由材料和形状决定：又长又细的路径比又短又宽的路径阻值大。膜层材料还决定了阻值随温度漂移多少，以及给电路添多少电噪声。
为什么 LED 前面要加一个电阻？
LED 是半导体做的小灯。如果不管它，它会从电源一直吸电流，直到把自己烧掉。在它前面串一个电阻，就能把电流限制在安全值。
给一只 LED 配电阻： 假设这只 LED 需要 3V 和 13.5mA（千分之十三点五安培），电源是 5V。
- 多出来的电压由电阻承担：5V - 3V = 2V。
- 电阻等于电压除以电流：2V ÷ 0.0135A = 148Ω。取最接近的标准值，150Ω。
再确认一件事：这 2V 会在电阻上变成热。这里大约是 27mW，而常见的 ¼W 电阻能承受十倍以上。
两个电阻怎么分出更小的电压？
两个电阻串在一起，电压就在它们之间分配。阻值大的那个分到的电压多。想要更小的电压，就是这么来的。
LED 能当电阻用吗？
不能。电阻遵守一条简单规律：电压翻倍，电流也翻倍。LED 不是这样。低于某个电压，它几乎不导电。刚超过这个电压，电流就猛涨。所以两者不能互相替代。
怎么判断两个电压哪个大？
电阻该买哪一种？
常见的有几种：碳膜、金属膜、用于大功率的绕线电阻，以及工厂电路板上那种很小的贴片电阻。选型要看四件事：能承受多大功率、实际阻值和标称值差多少、阻值随温度漂移多少、以及带来多少噪声。做模拟电路时我默认用金属膜。
电阻这一节要记住什么
电容器
电容器把能量存在两块金属板之间的电场里。可以把它想成一个小缓冲：电压有富余时它充电，电压不够时它放电。它的规律是：只有两端电压在变化时才有电流通过。所以它放过快速变化，挡住稳定不变。这就是它用来平滑电源、给芯片稳住电压、以及做定时的原因。
电感器
电感器就是一个线圈。它把能量存在磁场里，并且抗拒电流的变化。它的规律和电容正好相反：两端电压取决于电流变化得多快。线圈和电容是大多数滤波器的两半。
线圈和电容怎么一起把电源弄平？
在电源里它们是一对搭档。整流桥把交流电（方向不断反转的电流）变成直流电（只往一个方向流的电流），但结果是起伏的。线圈压平电流的起伏，电容压平电压的起伏。
同样的事在电池系统里也会发生。逆变器每秒钟从电池里抽 100 次脉冲电流。在电缆上，这些脉冲因为电缆阻碍电流，就变成了波动的电压。电缆越短越粗，波动越小。Victron 在 24V 系统上设的报警值是 2.25V RMS，RMS 可以理解为波动电压的一种平均值。
二极管
二极管是电流的单向阀。它只能从一个脚（阳极）通到另一个脚（阴极），反方向不通。硅二极管通过时要损失约 0.7V，肖特基二极管（专门做低压降的一种）约 0.2 到 0.4V。二极管负责把交流变直流，也负责在电池接反时保护电路。
四个二极管怎么把交流变直流？
把四个二极管接成一个环，就是桥式整流器。不管交流往哪个方向摆，总有两个二极管导通，电流每次都朝同一个方向出去。后面接一个电容，就能把起伏抹平。几乎所有线性电源都是从这里开始的。
晶体管
🚧 即将更新;晶体管相关内容整理中，后续补充。
MOSFET
🚧 即将更新;MOSFET 相关内容将在后续补充。
线性电源与开关电源
电源要做的事，是把墙上或电池来的电变成电路需要的稳定低压。做法有两种。
- 线性电源：变压器先把电压降下来，再用芯片把多余的部分当热烧掉。简单、噪声低，但很浪费。
- 开关电源（SMPS）：先把电压切成高频脉冲，经过变压器，再平滑。零件更多，但发热少得多，体积也小得多。
230V 转 12V 的电源里面有什么？
照着真实原理图一级一级走一遍，是看清各部分怎么配合的最快办法：市电滤波、整流桥、开关芯片、变压器、输出整流，还有把输出电压稳住的反馈环路。
实践技能
真正要紧的是动手能力：在面包板上搭电路、焊接、正确使用万用表、看懂原理图、以及会找故障。光看理论只能到某一步。我用万用表找到那根松掉的接地线的那天，很多理论一下子通了。