數(shù)字制造講義01-成為數(shù)字世界的建造者
數(shù)字制造講義02-Arduino入門
上一節(jié)課武契，我們學(xué)習(xí)了時(shí)下最普及的單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟硬件工具 Arduino犬辰。今天我們來(lái)了解 Arduino 開(kāi)發(fā)板，以及其他電子元器件背后的基礎(chǔ)——電路析苫。
上次我們用 Arduino 和面包板搭了第一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，了解到電路就是電流的通路，電流給電路中的負(fù)載輸送能量秆剪，負(fù)載將電能轉(zhuǎn)化為其他能量，比如??亮起來(lái)爵政。
電路101
如果把電流比作水流仅讽，那么電路就有點(diǎn)像為水流提供通路的水渠。在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下钾挟，水從高處向地處流洁灵。如果想給不同高度的地方提供用水，就需要建造水塔等龙，或者用水泵把水從 A 處運(yùn)送到 B 處处渣。
電流也是類似伶贰。電源是電位/電壓的高點(diǎn)，接地點(diǎn)是電位的零基準(zhǔn)點(diǎn)罐栈，電流由兩點(diǎn)之間的電壓差形成黍衙，從電壓高的地方流量電壓低的地方。
在流動(dòng)的過(guò)程中荠诬，河床或水渠不可能絕對(duì)平整琅翻，而是會(huì)坑坑洼洼高低起伏，這樣就對(duì)水流產(chǎn)生了一些阻礙作用柑贞。在電路中也是類似方椎，電阻對(duì)電路產(chǎn)生阻力 (通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為熱能)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)钧嘶，電路有三種狀態(tài)：通路棠众，開(kāi)路（某處斷開(kāi)）和短路。
其中短路是指有决，電路中有很大電流流過(guò)闸拿，但不流過(guò)負(fù)載，負(fù)載不起作用书幕⌒禄纾咳咳，也就是說(shuō)台汇，在電路中走捷徑是有代價(jià)的（???♀?）苛骨。
下面這個(gè)視頻，可以幫助我們形成對(duì)電路更直觀的印象：
<iframe frameborder="0" src="https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=b0850foexnn" allowFullScreen="true"></iframe>
從電流/水流的類比中苟呐，我們總結(jié)出電路中幾個(gè)基本的規(guī)律：
- 電流趨向于電阻小的路徑 (最小阻力原則)
- 電路始終要接地 (有始有終原則)
- 要防止短路 (有錢也不能任性原則)
電路102
串聯(lián)和并聯(lián)
電路有兩種基本類型：串聯(lián)和并聯(lián)痒芝。
為什么要學(xué)這個(gè)？因?yàn)樗鼈兪怯?jì)算電路中電阻牵素、電流等數(shù)值的基礎(chǔ)知識(shí)吼野。比如，要點(diǎn)亮多個(gè) LED两波，需要多少伏的電源瞳步？
當(dāng)多個(gè)元件串聯(lián)（下圖圖二）時(shí)，會(huì)平均「瓜分」掉整段串聯(lián)電路兩端的電壓腰奋，也就是起到分壓作用单起。當(dāng)多個(gè)元件并聯(lián)時(shí)(下圖圖三)，「復(fù)制」了原本只有 1 個(gè)元件時(shí)的電壓劣坊。
via tinkercad.com
再仔細(xì)觀察一下嘀倒，對(duì)比圖一，為什么圖二中的 LED 幾乎沒(méi)有亮？圖三的 LED 為什么稍微暗一點(diǎn)测蘑？(圖中的電阻都是 60Ω)
在圖一中灌危，我們測(cè)到點(diǎn)亮 LED 所需的電壓約為 2V。如果要在串聯(lián)電路中點(diǎn)亮兩個(gè) LED碳胳，那么根據(jù)「瓜分」原理勇蝙，就需要提供 4V 的電壓。但是圖二的電池只有 3V挨约，所以燈就點(diǎn)不亮啦味混。
在圖三中，如果用萬(wàn)用表測(cè)量 LED 兩端的電壓诫惭，會(huì)發(fā)現(xiàn)電壓只稍微下降到 1.9x V翁锡，LED 只是稍微變暗一點(diǎn)，接入很多 LED 也可以點(diǎn)亮夕土。
歐姆定律
V = I * R
流過(guò)電阻的電流 I 與電阻兩端電壓 U 成正比馆衔，與電阻 R 成反比
大家對(duì)歐姆定律都不陌生。那么知道歐姆定律在這門課中怨绣，最直接的應(yīng)用是什么哈踱？它幫助我們計(jì)算電路中需要用多少阻值的電阻。
在前面一部分梨熙，我們講過(guò)要防止短路。短路的本質(zhì)就是電路中有很大的電流通過(guò)刀诬，這樣會(huì)燒壞電路元件咽扇。電阻的作用是限制電流的大小，保護(hù)元件陕壹，保持電路正常運(yùn)作质欲。
比如一個(gè) LED 的額定電流是 20 mA，我們手頭只有一個(gè) 9V 電池糠馆。
如果要保證 LED 安全嘶伟，電路的阻值應(yīng)該為 9V / 0.02A=450Ω 。這樣我們就知道應(yīng)該選擇多少阻值的電阻加入到電路中了又碌。
基爾霍夫定律
基爾霍夫定律九昧？有什么用？
我們已經(jīng)有歐姆定律了毕匀，為什么還需要多一個(gè)定律铸鹰？因?yàn)殡娐芬彩菚?huì)變得很復(fù)雜的嗯，比如有多個(gè)電池并聯(lián)皂岔，比如要在電阻電路中加入電容(下一節(jié)會(huì)介紹)蹋笼，那該怎么計(jì)算其中的電流與電壓？
19世紀(jì)，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫擴(kuò)展了歐姆定律剖毯，提出基爾霍夫定律：
<iframe frameborder="0" src="https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=g0359uuom6b" allowFullScreen="true"></iframe>
基爾霍夫第一定律(電流定律)
在任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)電路圾笨，流入該節(jié)點(diǎn)的總和電流，等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流的總和逊谋，或：所有進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流總和,等于所有離開(kāi)這節(jié)點(diǎn)的電流總和擂达。
power: P = I2 , R = I V
基爾霍夫第二定律(電壓定律)
沿著閉合回路所有元件兩端的電勢(shì)差（電壓）的代數(shù)和等于零』凉罚或者谍婉，所有電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，等于所有電壓降的代數(shù)和镀钓。
基本電路元件
它們?cè)陔娐穲D中的表示方法：
電阻
電阻的主要作用是限制電流穗熬。
不同的電路需要選擇不同形態(tài)的電阻：DIP，SIP丁溅，SMD唤蔗。
DIP（dual in-line package），兩頭都有引腳的電阻窟赏，是入門時(shí)使用的常見(jiàn)電阻妓柜。
這種電阻的阻值一般通過(guò)彩色的色環(huán)識(shí)別。有 4 環(huán)和 5 環(huán)兩種標(biāo)記方法涯穷，一般是記不住的棍掐，手頭備一張色環(huán)卡比較實(shí)在：
第一、二環(huán)是讀數(shù)拷况，第三環(huán)(五環(huán)的話是第四環(huán))是乘數(shù)作煌，比如 紅-紅-棕 表示 220 V。
SIP (single in-line package)赚瘦，一頭有引腳的電阻：
SMD (Surface Mounted Device)粟誓，貼片電阻，用于常見(jiàn)的 PCB 電路板：
電容
電容又是什么起意？
顧名思義鹰服，可以作為電荷容器的一種元件。
- 充放電特性：電容將電路中的電荷收集起來(lái)揽咕，然后在電壓變化時(shí)放電悲酷。
- 阻直通交特性：阻止直流電流通過(guò)，允許交流電流通過(guò)(像個(gè)交警)
電容試圖抵抗電路內(nèi)的電壓變化亲善。因此舔涎，電容通常連接在電源和地之間，以保持穩(wěn)定的電源并濾除間歇性的電壓尖峰和下降逗爹。
其他元件就不繼續(xù)一一介紹了亡嫌。元件外型可以到 Explore/3DModels | library.io 查看嚎于，元件的參數(shù)可以找到對(duì)應(yīng)的 datasheet 查看。
電路圖
電路圖就是將各種元件連接起來(lái)組成完整電路的圖示挟冠。
運(yùn)用前面學(xué)過(guò)的知識(shí)替梨，我們可以開(kāi)始搭建電路圖德迹。在實(shí)際接線之前沪蓬，建議先用工具畫(huà)出接線圖括蝠，可以幫助我們理清電路的功能和部件。推薦使用 Tinkercad 的 circuit 模塊控淡，網(wǎng)站上提供了一些常用的電路元件嫌吠，方便快速搭建出虛擬電路。
更棒的是掺炭，它還提供了電路模擬運(yùn)行的功能辫诅，分析電路中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，尤其是存在短路時(shí)會(huì)明確提示涧狮。這樣就再也不用擔(dān)心電路接不好會(huì)頻繁燒壞元件了炕矮！??
更讓人開(kāi)心的是，還集成了 Arduino 的模塊功能者冤，讓沒(méi)有編程基礎(chǔ)的使用者肤视，也能快速上手編寫簡(jiǎn)易程序：
去試試看吧~ ??
00 的文集
- HackYourself
- Art & Code
- 產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練營(yíng)
- FabAcademy 創(chuàng)客煉成記
- Make Noise
- 歷史大雜燴
