硬件基础知识（一）

1. 欧姆定律、功率与焦耳定律

1.1 欧姆定律

1
I = U / R
符号含义单位
I电流A
U电压V
R电阻Ω

注意：欧姆定律有局限性，主要适用于纯电阻电路，或者说纯电阻元器件、纯电阻设备。

纯电阻电路的特点：消耗的电能只转化为热能，没有其它形式的能量转换。例如电热水壶、电热丝、纯电阻加热器等。

1.2 功率计算

基础功率公式：

1
P = UI

结合欧姆定律可推导：

1
2
P = U² / R
P = I²R

注：这两个公式是由欧姆定律推导而来，同样只适用于纯电阻电路。

场景推荐公式
已知电压 U 和电流 IP = UI
已知电压 U 和电阻 RP = U² / R
已知电流 I 和电阻 RP = I²R

1.3 焦耳定律

电流通过导体产生的热量：

  • 与电流的平方成正比；
  • 与导体的电阻成正比；
  • 与通电时间成正比。

公式：

1
Q = I²Rt
符号含义单位
Q热量焦耳 J
I电流安培 A
R电阻欧姆 Ω
t时间秒 s

由功率公式还可以推导（注：以下三个公式是由欧姆定律推导而来，同样只适用于纯电阻电路。）：

1
2
3
Q = UIt
Q = Pt
Q = (U² / R)t

热量单位：焦耳，符号为 J，简称 焦。

常见能量单位按 1000 进位：

1
2
3
1 kJ = 1000 J
1 MJ = 1000 kJ
1 GJ = 1000 MJ

常见单位从大到小：

1
GJ → MJ → kJ → J → mJ → μJ → nJ

2. 电阻基础

2.1 电阻的物理含义

电阻表示材料或电阻器对电流的固定阻碍，主要表现为能量耗散，即发热。

电路中的总“阻力”描述的是电路中多种因素对电流的总阻碍作用，可能包含电阻、容抗、感抗等。

2.2 电阻的决定式

1
R = ρ · L / A
符号含义
R电阻
ρ材料的电阻率，电阻率越大，对电流阻碍越强
L导体长度
A导体横截面积

结论：

  • 材料电阻率 ρ 越大，电阻越大；
  • 导体长度 L 越长，电阻越大；
  • 横截面积 A 越大，电阻越小。

3. 电阻阻值标识

3.1 直标法

示例：

1
20RK

含义：

  • R 表示小数点，也表示单位欧姆 Ω；
  • K 表示精度；
  • 20R 表示 20 Ω；
  • K 表示精度 ±10%。

常见倍率字母：

字母含义
R10⁰ Ω
K10³ Ω
M10⁶ Ω

常见精度字母：

字母精度
L0.01%
A0.05%
B0.1%
C0.25%
D0.5%
F1%
G2%
H3%
J5%
K10%
M20%

3.2 三位数字代码

一般用于精度为 ±5% 的电阻。

规则：

  • 前两位是有效数字；
  • 第三位表示在有效数字后面添加 0 的个数；
  • 字母 R 表示小数点。

示例：

1
101 = 10 × 10¹ = 100 Ω

3.3 四位数字代码

一般用于精度为 ±1% 的电阻。

规则：

  • 前三位是有效数字；
  • 第四位表示在有效数字后面添加 0 的个数；
  • 字母 R 表示小数点。

示例：

1
1001 = 100 × 10¹ = 1000 Ω

3.4 精密标注

精密标注一般用于精度为 ±0.1% 的电阻。

规则：

  • 由两位数字 + 一位字母表示；
  • 前两位数字表示阻值代码，需要查表得到实际数值；
  • 最后一位字母表示倍率关系，也需要查表得到。

示例：

1
50B

查表：

1
2
50 → 324
B  → 10¹

因此：

1
50B = 324 × 10¹ = 3240 Ω

常见 EIA-96 精密电阻代码表：

代码数值代码数值代码数值代码数值
01100251784931673562
02102261825032474576
03105271875133275590
04107281915234076604
05110291965334877619
06113302005435778634
07115312055536579649
08118322105637480665
09121332155738381681
10124342215839282698
11127352265940283715
12130362326041284732
13133372376142285750
14137382436243286768
15140392496344287787
16143402556445388806
17147412616546489825
18150422676647590845
19154432746748791866
20158442806849992887
21162452876951193909
22165462947052394931
23169473017153695953
24174483097254996976

常见倍率字母：

字母倍率
Y10⁻²
X10⁻¹
A10⁰
B10¹
C10²
D10³
E10⁴
F10⁵

3.5 色环电阻读法

四环电阻

四环电阻一般按如下规则读取：

1
2
3
4
第 1 环：第一位有效数字
第 2 环：第二位有效数字
第 3 环：倍率
第 4 环：误差

示例：

1
红 红 黑 金 = 22 × 1 = 22 Ω ±5%

五环电阻

五环电阻一般按如下规则读取：

1
2
3
4
5
第 1 环：第一位有效数字
第 2 环：第二位有效数字
第 3 环：第三位有效数字
第 4 环：倍率
第 5 环：误差

示例：

1
红 紫 黑 黄 棕 = 270 × 10 kΩ = 2700 kΩ = 2.7 MΩ ±1%

色环对照表

颜色第 1/2/3 环数字倍率误差
黑01-
棕110±1%
红2100±2%
橙31K-
黄410K-
绿5100K±0.5%
蓝61M±0.25%
紫710M±0.10%
灰8-±0.05%
白9--
金-0.1±5%
银-0.01±10%
无色--±20%

4. 电容基础

4.1 电容的决定式

1
C = ε · A / D
符号含义
C电容器存储电荷的能力，即电容值
ε电介质的介电常数
A电容器极板间的有效面积
D极板间的距离

结论：

  • 介电常数 ε 越大，电容越大；
  • 极板有效面积 A 越大，电容越大；
  • 极板距离 D 越大，电容越小。

4.2 容抗

容抗公式：

1
Xc = 1 / (2πfC)
符号含义单位
Xc容抗欧姆 Ω
f交流信号频率赫兹 Hz
C电容值法拉 F
π圆周率约 3.14159

结论：

  • 电容值 C 固定时，信号频率 f 越大，容抗越小；
  • 频率 f 固定时，电容值 C 越大，容抗越小。

4.3 电容与电阻的区别

电阻与电容都能对电流产生阻碍作用，但区别是：

  • 电阻主要把电能转化为热能，会发热；
  • 电容理想情况下不消耗能量，不发热，主要表现为储能和动态阻碍。

5. 电感基础

5.1 电感的决定式

1
L = μ · N²A / l
符号含义
L电感值，衡量电感器存储磁能的能力，也可理解为抑制电流变化的能力
μ磁导率，线圈芯部材料的磁导率
N线圈匝数
A线圈截面积
l线圈长度

结论：

  • 磁导率 μ 越大，电感越大；
  • 匝数 N 越多，电感越大，且与 N² 成正比；
  • 截面积 A 越大，电感越大；
  • 线圈长度 l 越长，电感越小。

5.2 感抗

电感的感抗公式：

1
XL = 2πfL
符号含义单位
XL感抗欧姆 Ω
f交流信号频率赫兹 Hz
L电感值亨 H
π圆周率约 3.14159

结论：

  • 电感值 L 固定时，信号频率 f 越大，感抗越大；
  • 频率 f 固定时，电感值 L 越大，感抗越大。

5.3 电感在嵌入式中的作用

在嵌入式开发中，电感主要用于：

  • 动态能量转换，例如电源电路；
  • 瞬态保护；
  • 不是用于长期储能。

6. 阻抗、容抗、感抗

电路中的总“阻力”描述的是多种因素对电流的总阻碍作用，通常可理解为阻抗。

名称来源特点
电阻材料或电阻器对电流形成固定阻碍，主要耗散能量并发热
容抗电容对交流电形成动态阻碍，频率越高，容抗越小
感抗电感对交流电形成动态阻碍，频率越高，感抗越大

快速对比：

1
2
3
电阻：固定阻碍，主要发热
电容：频率越高，阻碍越小
电感：频率越高，阻碍越大

7. 安培定则（右手定则）

7.1 通电直导线的磁场方向

规则：

用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流方向，那么四指环绕方向就是通电导线周围的磁场方向。

7.2 通电螺线管的 N 极判断

规则：

用右手握住通电螺线管，让四指指向电流方向，那么大拇指所指方向就是通电螺线管的 N 极。

8. 法拉第电磁感应定律与楞次定律

8.1 法拉第电磁感应定律

只要闭合电路中的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。

感应电流大小与线圈磁通量的变化率有关：

  • 磁通量变化越快，产生的感应电流越大；
  • 磁通量变化越慢，产生的感应电流越小。

8.2 楞次定律

感应电流所形成的磁场，总是阻碍引起感应电流的磁通量变化。

通俗理解：

  • 外部磁通量增加时，感应电流产生的磁场会反抗这种增加；
  • 外部磁通量减少时，感应电流产生的磁场会试图维持原来的磁通量。

9. 二极管基础

9.1 概述

二极管由半导体材料制成，只允许电流在单方向流动，可以理解为电路中的单向阀门。

常见二极管类型及用途：

类型常见用途
整流二极管整流、防反接、防倒灌
稳压二极管反接在电路中，一般与电阻搭配使用，完成降压稳压
发光二极管 LED照明、指示灯
光电二极管红外接收、遥控
瞬态抑制二极管 TVS反接在电路中，用于吸收尖峰脉冲、防静电

9.2 PN 结特性

PN 结的基本特性：

  1. PN 结正偏时，有导通压降；
  2. PN 结反偏时，有漏电流；
  3. PN 结反向电压过高时，会产生击穿。

击穿类型：

  • 电击穿；
  • 热击穿。

9.3 二极管伏安特性

关键点：

  • 正向电压达到开启电压后，电流开始明显增大；
  • 达到导通电压后，导通区近似线性；
  • 反向偏置时存在很小的反向漏电流；
  • 反向电压超过反向击穿电压后，反向电流急剧增大。
伏安特性曲线.png

9.4 稳压二极管

稳压二极管工作在反向击穿区。

特点：

  1. 反向击穿电压会低一些，更容易利用其反向击穿后的特性；
  2. 反向击穿后，不管通过它的电流是多少，它两端的电压都会稳定在一个固定值附近。

使用方式：

  • 稳压二极管一般反接在电路中；
  • 通常与电阻配合使用；
  • 用于降压稳压。
稳压二极管.png

10. 三极管基础

10.1 三极管结构与引脚

三极管三个引脚：

引脚英文说明
CCollector集电极
B / bBase基极
E / eEmitter发射极

分类：

1
2
NPN
PNP

10.2 三极管符号判断

核心记忆：箭头一直都是由 P 指向 N。

判断方法：

  1. 中间的是 b，即基极；
  2. 箭头所在的线是 e，即发射极；
  3. 剩下的是 c，即集电极；
  4. 箭头由 P 指向 N：
    • NPN：箭头从基极区域指向发射极，常见为“箭头向外”；
    • PNP：箭头从发射极指向基极区域，常见为“箭头向内”。
三极管.png

10.3 电流关系

1
Ie = Ib + Ic
符号含义
Ie发射极电流
Ib基极电流
Ic集电极电流

10.4 电流放大作用

三极管对电流具有放大作用：

1
Ic = βIb

其中：

  • β 为三极管的电流放大倍数（可在器件手册中找到）；
  • 常见放大倍数可能是几十倍，也可能是几百倍。

10.5 三极管控制方式

三极管属于电流控制型器件。

特点：

  • 用基极电流 Ib 控制集电极电流 Ic；
  • 需要持续提供基极电流 Ib，才能维持集电极电流 Ic；
  • 因此三极管持续导通时，基极驱动端会有一定功耗。

10.6 导通功耗

三极管导通后，集电极 C 与发射极 E 之间存在导通压降：

1
Vce(sat)

示例：

1
2
若 Vce(sat) = 0.4 V，通过电流 I = 1 A
则功耗 P = V × I = 0.4 W

10.7 常见参数

以 S8050-NPN 型三极管为例，常见需要关注的参数包括：

参数含义
晶体管类型例如 NPN
Ic集电极可持续通过的最大电流
Vceo基极开路时，C-E 间能承受的最高电压
Pd三极管能承受的最大功率
hFE / β直流电流增益，即放大倍数
fT特征频率，表示三极管能正常放大信号的最大频率能力
Icbo集电极与基极之间的漏电流，通常越小越好
VCE(sat)饱和压降，三极管饱和时 C-E 间的电压
工作温度器件允许工作的温度范围

示例参数理解：

  • hFE = 120 @ 50mA, 1.0V：表示在 Ic = 50 mA、Vce = 1.0 V 条件下，测得放大倍数约为 120；
  • VCE(sat)：当三极管处于饱和状态时，集电极与发射极之间的压降；
  • Icbo：没有输入信号时，集电极与基极之间的漏电流，通常越小越好。

10.8 其它特点

  • 开关速度相对 MOS 管略慢；
  • 热稳定性相对略差。

11. MOS 管基础

11.1 MOS 管在嵌入式中的作用

MOS 管在嵌入式硬件中常用于：

  • 开关控制；
  • 电源控制；
  • 负载控制；
  • 电源路径控制；
  • 低功耗控制。

11.2 MOS 管引脚

MOS 管三个引脚：

引脚英文说明
GGate栅极，中间的是栅极
SSource源极，线最多的是源极
DDrain漏极，剩下的是漏极
MOS管.png

11.3 沟道判断

判断沟道类型时看栅极 G 对面的箭头：

  • 箭头往里指，指向 G：N 沟道；
  • 箭头往外指，背离 G：P 沟道。

另一种记忆：箭头一直都是由 P 指向 N。

11.4 增强型 / 耗尽型判断

看栅极 G 对面的线：

  • 三段虚线：增强型；
  • 一条实线：耗尽型。
类型默认状态电路符号
增强型默认关闭虚线
耗尽型默认导通实线

11.5 导通 / 增强导通条件

类型条件
N 沟道需要 VGS > 0
P 沟道需要 VGS < 0

11.6 电流方向与体二极管

常见接法判断的关键：让 MOS 管内部的寄生二极管反偏。

  • N 沟道增强型常用于低边开关：源极接低电位，漏极接负载；
  • P 沟道增强型常用于高边开关：源极接高电位，漏极接负载；
  • 判断时要注意体二极管方向，避免默认状态下被体二极管导通。

11.7 N 沟道增强型

  • 默认关闭；
  • 栅源电压满足 VGS > 0 时导通；
  • 电流通道一般由源极到漏极或漏极到源极取决于电路连接，但实际使用中要重点保证体二极管方向符合设计目的。

11.8 P 沟道增强型

  • 默认关闭；
  • 栅源电压满足 VGS < 0 时导通；
  • 常用于高边开关；
  • 源极通常接高电位。

11.9 P 沟道耗尽型

  • 默认导通；
  • 电路符号为实线。

11.10 MOS 管控制方式

MOS 管属于电压控制型器件。

特点：

  • 用栅源电压 VGS 控制漏极电流 ID；
  • 栅极 G 和源极 S 之间是绝缘的，等效为电容结构；
  • 只需要维持住栅源电压 VGS，即可导通；
  • 因此 MOS 管驱动功耗相对更低。

11.11 MOS 管导通功耗

MOS 管导通后，漏极 D 与源极 S 之间的导通电阻很小，记作：

1
Rds(on)

示例：

1
2
若 Rds(on) = 40 mΩ，通过电流 I = 1 A
则功耗 P = I²R = 1² × 0.04 = 0.04 W

11.12 MOS 管其它特点

  • 开关速度快；
  • 热稳定性更好；
  • 适合低功耗、高速开关、大电流开关等场景。

12. 三极管与 MOS 管对比

对比项三极管MOS 管
电路符号B / C / EG / D / S
控制方式电流控制型：用基极电流 Ib 控制集电极电流 Ic，且需要持续提供 Ib电压控制型：用栅源电压 VGS 控制漏极电流 ID，只需维持 VGS
输入端特点基极有电流输入栅极近似绝缘，主要表现为电容
导通功耗导通后 C-E 间存在 Vce(sat)，例如 0.4 V × 1 A = 0.4 W导通后 D-S 间电阻 Rds(on) 很小，例如 40 mΩ、1 A 时功耗约 0.04 W
开关速度略慢快
热稳定性略差更好
常见用途小信号放大、简单开关电源开关、负载开关、功率控制

13. 快速记忆表

13.1 常用公式

内容公式
欧姆定律I = U / R
功率P = UI
功率推导式P = U² / R、P = I²R
焦耳定律Q = I²Rt
焦耳定律推导式Q = UIt、Q = Pt、Q = (U²/R)t
电阻决定式R = ρL / A
电容决定式C = εA / D
容抗Xc = 1 / (2πfC)
电感决定式L = μN²A / l
感抗XL = 2πfL
三极管电流关系Ie = Ib + Ic
三极管放大关系Ic = βIb
MOS 管导通功耗P = I²Rds(on)
三极管导通功耗P = Vce(sat) × I

13.2 器件判断口诀

器件 / 知识点判断方法
通电直导线磁场右手握线，大拇指指电流，四指为磁场方向
通电螺线管 N 极四指指电流，大拇指为 N 极
三极管 B/E/C中间是 B，箭头所在是 E，剩下是 C
三极管箭头箭头始终由 P 指向 N
MOS N / P 沟道栅极对面箭头往里是 N 沟道，往外是 P 沟道
MOS 增强 / 耗尽栅极对面三段虚线为增强型，一条实线为耗尽型
N 沟道导通VGS > 0
P 沟道导通VGS < 0
电容容抗频率越高，容抗越小
电感感抗频率越高，感抗越大

13.3 电阻标识速查

标识方式适用/特点示例
直标法直接写数值和精度20RK = 20Ω ±10%
三位数字常见于 ±5%101 = 100Ω
四位数字常见于 ±1%1001 = 1000Ω
精密标注常见于 ±0.1%，两位数字加一位字母50B = 3240Ω
色环插件电阻常见红红黑金 = 22Ω ±5%

14. 学习重点总结

  1. 电阻、电容、电感都能表现为对电流的阻碍，但物理本质不同：电阻耗能发热，电容储电场能，电感储磁场能。
  2. 频率对容抗和感抗影响相反：频率越高，容抗越小；频率越高，感抗越大。
  3. 二极管的核心是单向导电，稳压二极管则利用反向击穿区稳定电压。
  4. 三极管是电流控制型器件，用小基极电流控制较大的集电极电流。
  5. MOS 管是电压控制型器件，栅极近似绝缘，常用于嵌入式电源和负载开关。
  6. 判断半导体箭头时记住：箭头始终由 P 指向 N。