任務一 手電筒電路的設計

任務導學

請列舉生活中用到的簡單電路實例，說明電路中包含哪些組成部分，各起什么作用？

任務說明

現有一個6V直流電源、一個5V/1W的白熾燈、一個安培表、一個電壓表、一個標稱阻值為25Ω的電位器、一個開關、若干導線，將這些元器件連接成一個亮度可調的手電筒電路，并簡述該手電筒電路的工作過程，繪制出設計原理圖。

任務實施

1）將手電筒電路的接線示意圖繪制在圖1-1中。接線要點：直流電源、電位器、開關、白熾燈通過導線串聯組成一個閉合回路；安培表用來測量流過白熾燈的電流，串聯在電路中；電壓表用來測量白熾燈兩端的電壓，并聯在白熾燈兩端。

2）簡述手電筒電路的工作過程。（提示：什么情況下白熾燈能亮，如何調節其亮度，什么情況下白熾燈不亮）

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3）白熾燈的能量轉換過程如何？白熾燈可以等效為什么樣的理想電氣元器件模型。

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4）還有哪些理想電氣元器件？分別寫出它們的文字符號和圖形符號。

文字符號：____________________

圖形符號：____________________

5）將亮度可調的手電筒電路中的元器件都用理想電氣元器件來表示，按照國家標準中的電氣制圖規范，將手電筒電路的理想電路模型繪制在圖1-2中。

6）當白熾燈用純電阻R來等效時，寫出其阻值的計算公式，計算出5V/1W的白熾燈的電阻（額定功率為P_N，額定電壓為U_N）。

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知識鏈接

一、電路的組成

單位時間內通過導體橫截面的電荷量叫作電流強度，簡稱電流。什么是電路？所謂電路，就是由一些電氣設備和電子元器件組成的電流流通的閉合路徑。隨著科技的進步，電的應用越來越廣泛。例如，大到跨地區的輸電、配電網絡電路，小到方寸之間的微電子技術的集成芯片電路，電路的形式多種多樣。但是，不論電路的具體形式和復雜程度如何變化，從能量轉換的角度看，它們都是由一些最基本的元器件組成。下面以圖1-3所示的手電筒電路為例，來探析電路的基本組成。

組成電路的基本元器件如下：

1）電源——把其他形式的能量轉換為電能，是電路中能量的來源，是“生產方”。例如，干電池將化學能轉換成電能，發電機將機械能轉換成電能。電源在電路中起激勵作用，是事物的“因”，在其作用下產生的響應（電流和電壓）是事物的“果”。

2）負載——電路中的用電設備，是電路中的“消耗方”，把電能轉換成其他形式的能量。例如，白熾燈將電能轉換成熱能和光能，電動機將電能轉換成機械能。

3）中間環節——電路中的連接導線及控制電路通斷的開關電器，將電源和負載連接起來，形成電流通路。中間環節還包括保證安全用電所需的保護電器（如熔斷器、熱繼電器）等。

二、電路模型

實際中的電路是由一些電氣設備（如各種電源、電動機）和電阻器、電容器、線圈及晶體管等組成的，人們使用這些電氣設備和電子元器件是為了利用它們的某種電磁性質，進行電能與其他形式能量之間的轉換。按照它們在電路中所表現的電磁性質和能量轉換過程，可以歸納為以下幾種：

1）向電路提供電能，表現為電源性。

2）在電路中對流過的電流呈現阻礙作用，將電能轉換成熱能，不可逆的損耗掉了，這種性質稱為電阻性。

3）在電路中，電流建立磁場，儲存磁場能，表現為電感性。

4）在電路中，帶電體上的電荷建立電場，儲存電場能，表現為電容性。

當電流流過實際電氣設備和電子元器件時，所發生的電磁現象是很復雜的。例如，電路中最常用的電阻器除了具有電阻性之外，電流通過電阻器時還會產生磁場和電場，具有電感性和電容性。如果把所有的電磁性質都考慮進來，會使電路的分析與計算變得非常復雜，甚至難以進行。值得注意的是，實際電氣設備和電子元器件所表現出的多種電磁性質在主次和強弱程度上是各不相同的。例如，電阻器、白熾燈、電阻爐等，它們的電磁性質主要表現為電阻性，其電感性和電容性則十分微弱，在一定條件下可忽略不計。實際應用中電感線圈的主要電磁性質是電流建立磁場、儲存磁場能，突出表現為電感性。而電容器的主要電磁性質是電荷建立電場、儲存電場能，突出表現為電容性。因此，在一定條件下，忽略實際電氣設備和電子元器件的一些次要性質，只保留一個主要電磁性質，并用一個足以反映該主要性質的電路模型——理想電氣元器件來表示。每一種理想電氣元器件都只包含一種電磁性質，例如，理想的電阻元件只包含電阻性，理想的電感元件只包含電感性，理想的電容元件只包含電容性。幾種常用的理想電氣元器件的圖形符號和文字符號如圖1-4所示。

理想電氣元器件簡稱理想電路元件（或理想元件）。圖1-4中的電壓源和電流源是根據實際電源建立的電源模型，稱為有源元件。與之對應的，電阻、電感和電容這三種理想元件則稱為無源元件或負載元件。

有些電氣設備或電子元器件可只用一種電路元件模型來表示，但有一些則需用幾種電路元件模型的組合來表示。例如，干電池為一直流電源，既有電源性（具有一定大小的電動勢），又有一定的內阻，因此，用電壓源與電阻元件的串聯組合來表示。這樣圖1-3所示的手電筒電路就可以用圖1-5所示的電路模型表示。所謂電路模型就是由理想電路元件來表示電路的組成。電路模型中的導線也等效為理想導體，其電阻為零。

電路模型是對實際電路中電磁性質的科學抽象與歸納，具有普遍適用意義。以圖1-5為例，電壓源E和電阻元件R₀的串聯組合既可以表示成干電池，也可以表示成任何實際的直流電源。電阻元件R既可以表示成白熾燈，也可以表示成電阻爐、電烙鐵，不同的只是它們的電參數（阻值）不一樣。

本書后面所討論的電路都是由理想電路元件組成的電路模型。

三、電路的作用和分類

電路的基本作用是進行電能和其他形式能量之間的轉換。根據側重點不同，電路可以分為兩大類。

一類用于電能的傳輸、分配與轉換。例如，發電廠發電機產生的電能，通過升壓變壓器升壓后，經高壓輸電線進行高壓輸電，再通過降壓變壓器降壓后供給用戶使用，最后通過電氣負載把電能轉換為其他形式的能量，這就組成了一個復雜的供配電系統。這類電路的主要要求是傳輸的電能要足夠大、效率要高，通常稱這種電路為電力電路，如圖1-6所示。

另一類電路用于信息的傳遞和處理。例如，各種測量儀器、計算機、自動控制設備及日常生活中的收音機、電視機中的電子電路，在這類電路中的電流或電壓攜帶某種確定的信息，通常電壓較低、電流較小，稱為信號電路。對信號電路的主要要求是電信號不失真、抗干擾性強。圖1-7所示為調頻式電渦流位移測量電路，該系統用于測量位移信號。其工作過程：電感線圈與被測金屬物體之間的距離為x，線圈中的交變磁場H₁會在金屬物體表面產生電渦流，該電渦流產生的交變磁場H₂與H₁方向相反，將抵抗H₁的變化，受電渦流磁場的作用，線圈電感量L將發生變化，即位移量x的變化轉換為線圈電感量L的變化，導致LC振蕩器中振蕩頻率發生變化，頻率可由數字頻率計直接測量，也可以通過頻率-電壓的轉換，轉換為用電壓表測量其電壓，并通過所測的頻率或電壓的變化量來推算出位移的變化量。

四、電阻元件

1.電阻器

電阻器也稱為電阻，在電路中起調節電流、電壓的作用（如作為分流器、分壓器等），并將電能轉換為熱能。據統計，在電子產品中，電阻器約占所用元件總數的35%，是使用最多的電子元件。電阻器在電路模型中可以用理想電阻元件表示。圖1-8所示為常見電阻器。

2.電阻器的分類

常用的電阻器可分為固定電阻器、可變電阻器和敏感電阻器。

固定電阻器依據電阻體所用材料和制造工藝的不同，又可分為薄膜電阻器、線繞電阻器、實心電阻器等。

常用的可變電阻器有滑線變阻器和電位器。

敏感電阻器是指器件特性對溫度、電壓、濕度、光照、氣體、磁場、壓力等作用敏感的電阻器。常見的敏感電阻器有熱敏電阻器、氣敏電阻器、壓敏電阻器、濕敏電阻器、光敏電阻器、磁敏電阻器、力敏電阻器等。敏感電阻器的符號是在普通電阻器的符號中間加一斜線，并在旁邊標注敏感電阻器的類型。

隨著微電子技術的發展，又出現了一種新型電阻器件——表面貼裝電阻器，又稱貼片電阻。其最主要的特點是小型化和標準化。這種新型電阻體積很小，沒有電極引線或引線極短，并可直接貼裝在印制電路板表面，極大提高了印制電路板的元件密度和布線密度。這種新型的電子工藝技術稱為表面組裝技術（Surface Mount Technology，SMT）。

貼片電阻有矩形片狀電阻和圓柱形固定電阻，圖1-9是其外形圖，電阻的兩端即為其外部電極。矩形片狀電阻的厚度僅為0.5～0.6mm，長度和寬度也僅為幾毫米，功率為1/20～1/2W。圓柱形固定電阻的直徑通常為1～2mm，其特點是噪聲小、工作穩定。

3.電阻器的參數

了解電阻器的主要參數是合理選擇和使用電阻器的前提。其主要參數有標稱阻值、額定功率和誤差。

標稱阻值就是電阻器的“名義”阻值。

額定功率是指在規定使用條件下，電阻器上允許消耗的最大功率。為了保證使用安全，一般要求額定功率比在電路中實際消耗的功率高1～2倍。

誤差即電阻器的允許誤差，表示其阻值的精度。線繞電阻器的允許誤差一般小于±10%，薄膜電阻器的允許誤差一般小于±20%。

電阻器的參數有兩種標示方法：

1）直標法。把標稱阻值、額定功率和誤差直接標注在電阻體上，如圖1-10所示。

2）色標法。隨著新電阻材料的不斷出現，再加上集成電路的應用、所需電阻器阻值的減小，使得電阻器的體積越來越小，直標法遇到了困難，色標法的應用得到推廣。色標法是用標注在電阻體上的四條或五條不同顏色的色環，表示電阻器的標稱阻值和誤差。

4.線性電阻元件的伏安特性

電阻元件對電流的阻礙作用可用其兩端的電壓U與通過元件的電流I的關系表示，這種關系稱為伏安特性。在U-I直角坐標平面上表示這一關系的曲線稱為伏安特性曲線。線性電阻元件的伏安特性曲線是一條通過坐標原點的直線，如圖1-11所示。

5.電位器

電位器是具有3個引出端、阻值可按某種變化規律調節的電阻元件。電位器通常由電阻體（碳膜）和可移動的電刷（滑片）組成。當調節電位器的轉軸或滑柄時，動觸點在電阻體上滑動，此時在電位器的輸出端可獲得與電位器外加電壓和可動臂轉角或行程呈一定關系的輸出電阻值或電壓。如圖1-12所示，A、B為電阻滑軌的兩個引出端，是電阻體的兩端，P與可移動滑片的一端連接，轉動轉軸即可改變滑片在電阻滑軌中的位置，從而改變AP和PB之間的電阻值。

6.歐姆定律

對于線性電阻元件，其伏安特性遵循歐姆定律，即線性電阻元件的伏安特性曲線表明，流過電阻元件的電流I與加在其兩端的電壓U成正比。當電流和電壓的參考方向為關聯參考方向時（見圖1-11），歐姆定律表示為

式中，R為電阻元件的電阻，其定量表示電阻元件對電流阻礙作用的大小。在國際單位制中，電阻的單位是歐[姆]（Ω）。

需要注意的是，線性電阻元件的電阻值R是常數，與通過它的電流或端電壓無關，是電阻器自身的參數，可利用歐姆定律的公式來計算電阻值。

非線性電阻元件的伏安特性不遵循歐姆定律，它的電阻值R并不是常數，而是與通過它的電流或端電壓有關。

五、萬用表

萬用表（Multimeter）又稱多用表，是一種帶有整流器并可以測量交/直流電流、電壓及電阻等多種電參數的磁電式儀表。對于每一種電參數，萬用表一般都有幾個量程。萬用表是由磁電系電流表（表頭）、測量電路和選擇開關等組成的。通過選擇開關的變換，可方便地對多種電參數進行測量。常見的萬用表有指針式萬用表和數字萬用表。表筆分為紅、黑兩只。在使用時應將紅色表筆插入標有“+”號的插孔，黑色表筆插入標有“-”號的插孔。圖1-13所示為指針式萬用表和數字萬用表。

萬用表的操作規程如下：

1）使用前應熟悉萬用表各項功能，根據被測量的不同，選擇合適的檔位、量程及表筆插孔。

2）對于指針式萬用表，當被測數據大小不確定時，應先將量程開關置于最大值，再逐步由大量程檔往小量程檔切換，為減小誤差，應使指針指示在滿刻度的1/2以上。

3）使用指針式萬用表測量電阻時，在選擇適當倍率檔后，將兩表筆相碰，使指針指在零位，如果指針偏離零位，則調節“調零”旋鈕，使指針歸零，以保證測量結果準確。如果不能調零或萬用表發出低電壓報警，應及時檢查。

4）在測量某電路電阻時，務必切斷被測電路的電源，不得帶電測量。

5）在測量直流電壓時，應把萬用表并聯在被測電路上，需注意被測點電壓的極性，即把紅表筆接電壓高的一端，黑表筆接電壓低的一端，防止指針反向偏轉。

6）在測量直流電流時，應把萬用表串聯在被測電路中，應注意電流的方向，即把紅表筆接電流流入的一端，黑表筆接電流流出的一端，即電流“+”進“-”出。

7）使用萬用表進行測量時，要注意人身和儀表設備的安全，測量中不得用手觸摸表筆的金屬部分，不允許帶電切換檔位開關，以確保測量準確，避免發生觸電和燒毀儀表等事故。

鞏固提高

一、選擇題

1.電路的作用是（ ）。

A.把機械能轉換為電能

B.把電能轉換為機械能、光能、熱能

C.把電信號轉換為語言和音樂

D.實現電能的傳輸和轉換，以及信號的傳遞和處理

2.下列各電壓中，最高的是（ ）。

A.380V

B.220V

C.-36V

D.-110kV

3.以下不屬于電路主要物理量的是（ ）。

A.電流

B.電壓

C.功率

D.質量

二、填空題

電路可以說成是由__________、__________、__________三部分組成的。

三、設計題

設計由兩個開關控制兩盞燈的電路，要求兩盞燈相互獨立，互不影響，所給元器件有一個電源模塊、兩個按鈕開關、兩盞燈、導線若干，如圖1-14所示。

1）完成圖1-14所示電路中元器件的連接。

2）用理想電路元件（按電路圖繪制標準）在圖1-15中畫出對應的電路連接圖。