儿童电子产品设计之电气测量

在儿童电子系列的第 1 部分中，我们研究了 LED;在第 2 部分中，我们探讨了电容器。现在在第 3 部分中，我们将深入了解电气测量。

如果不包括电气测量，就不可能讨论电子学。为了为电子元件选择正确的值并计算一些工作条件，必须使用一些简单的算术计算来预测电路的行为。

它类似于烹饪食谱，其中所有成分都必须经过精确测量才能做出美味佳肴。

电气测量的主要问题将通过一些简单的例子来解决，特别是电压和欧姆电阻的计算。

电气测量

没有不使用测量值的实际领域，例如长度、体重、学校成绩、视频游戏分数和体温。

任何物理量、化学量或电量都必须经过测量才能得到良好的控制和管理。如果您不进行一些测量，您将无法预测电路的行为方式。我们显然不是在谈论用卷尺或尺子测量长度。

相反，我们讨论的是使用称为测试仪或万用表的仪器进行的电气测量，如图 1 所示。

要进行第一次电气测量，您无需购买花费数百美元的高端型号。只需几欧元即可购买一个简单的模拟或数字模型就足够了。模拟仪表变得越来越少，大多数设备现在都是数字的。

万用表又称万用表，是必不可少的测量工具。它可以具有多种功能，但以下是所有型号共有的：

用于交流和直流电压测量的电压表

用于电流测量的电流表

用于电阻测量的欧姆表

在继续进行电气测量示例之前，最好先回顾一下电压、电流和电阻的概念，如图 2 所示。没有这三个电子支柱，任何设计都无法完成。

在日常语言中，术语“电压”和“电流”可以互换使用，但它们实际上指的是两个不同的概念。了解这两个术语之间的区别对于避免危险情况和充分利用电子设备至关重要。

因为电的行为与水非常相似，所以电压可以用水压来表示，而电流可以用水本身来表示。

看图，我们可以发现以下三项：

电压是来自电源的压力，它推动电子通过电路。它以伏特为单位。

电流是在电路中流动的一组电子。因此，它是由电压决定的有序流。它以安培为单位。

电阻是一种表示电路中电流流动的阻力的量度，以欧姆为单位。

所有材料都具有一定的抗电流特性，分为以下几类：

导体：电阻很小且电子可以轻松移动的材料(例如，银、金、铜和铝)

半导体：具有导体和绝缘体特性的材料

绝缘体：提供高电阻并尽可能限制电子流动的材料(例如，纸、玻璃、橡胶和塑料)

测量电池或电池的电压

使用这种方法可以读取电池两端的电压，这有助于确定电池是否已充电或应丢弃。将红色表笔连接到电压插座 (V)，将黑色表笔连接到公共插座，将测试仪置于电压表模式(COM 或接地)，如图 3 所示。

始终建议将最大流量(满量程)设置为较高的位置，然后在必要时降低它。在我们的示例中，由于待测电池的电压为 1.5 V、4.5 V 和 9 V，因此建议使用 20 V 的最大量程，可通过相对旋转开关进行选择。现在可以直接测量电池电压。不要期望电压与电池标签上的电压完全相同。例如，对于 4.5V 电池，如果它是新的且已充电，则可以读取 4.7V 值，如果稍微放电，则可以读取 4.1V 值，或者如果已经充分放电，则可以读取 3.4V 值。

相同的规则适用于所有其他电压发生器。测量电压时，务必注意测试导线的正确极性。红色引线必须连接到电池的正极，而黑色引线必须连接到负极。但是，任何极性反转都不会损坏测试仪;电压将以负值表示。再次记住，不要将电池的两极直接电接触。它会产生大量热量，甚至会产生火焰。

测量由各种元件组成的电路的电压

图 4 显示了允许两个串联的 LED 二极管点亮的接线图。电阻值的计算将在下一部分中进行研究。现在让我们进行一些张力测量，以改善我们的总体视野。这些测量不用于其他目的;它们只是为了更加熟悉测试人员而进行的。回想一下，在这种类型的连接中，通过电池的电子、电阻和两个 LED 二极管都是相同的，就像流过单根管的水一样。将测试仪设置为以 20 V 满量程电压测量电压。现在让我们检查以下测量，考虑到电路的各个点称为节点：

节点 N1 上的红色尖端和节点 G 上的黑色尖端：读取的电压值约为 4.5 V。实际上，我们正在测量电池端子上的电压。

节点 N1 上的红色引线和节点 N2 上的黑色引线：读取的电压值约为 0.7 V。我们正在测量电阻两端的电压。

节点 N1 上的红色引线和节点 N3 上的黑色引线：读取的电压值约为 2.6 V。我们正在测量电池正极和第一个 LED 二极管的阴极之间的电压。

节点 N2 上的红色尖端和节点 N3 上的黑色尖端：读取的电压值约为 1.89 V。我们正在测量第一个 LED 二极管末端的电压。

节点 N2 上的红色尖端和节点 G 上的黑色尖端：读取的电压值约为 3.78 V。我们正在测量两个 LED 二极管末端的电压。

节点 N3 上的红色尖端和节点 G 上的黑色尖端：读取的电压值约为 1.89 V。我们正在测量 LED 二极管两端的电压。

最重要的测量涉及第一个(N1-G)，其目的是测量电池电压(4.5 V);第四个和第六个(N2-N3和N3-G)，目的是测量第一个和第二个LED二极管(1.89 V)两端的电压;第五个 (N2-G)，其目的是测量两个 LED 二极管 (3.78 V) 两端的电压。所进行的测量可能与此处报告的有所不同，因为电池和电子元件总是彼此略有不同。从测量中也可以看出，黑色引线并不总是必须连接到电池的负极，而是可以连接到任何节点，红色引线也是如此。你需要熟悉这个事实。通过将测试仪连接到电路的各个节点，我们获得了测试仪上某个电压的读数。它不是由单个电子组件产生的，而是由分布在各个组件上的电池产生的。事实上，在这种类型的电路中，我们永远找不到高于 4.5 V 的电压。

图 4：电路各个点的电压测量

电阻测量

最后的实验旨在确定电阻器的值，如图 5 所示，可以将其与各种直径的水管进行比较。以下是电阻器的一般规则：

电阻值越大，通过它的电流就越少，像一个窄管(例如330,000Ω，相当于330kΩ);

电阻值越小，通过它的电流就越多，就像一个大管子(例如，15Ω)。

要测量电阻器，不必考虑极性。事实上，这些类型的组件没有极化，测试引线可以随意定向，以及它们在电路中的方向。电阻器的主体通常带有一些指示欧姆值的彩色环。国际色码如下：

黑色：0

棕色：1

红色：2

橙色：3

黄色：4

绿色：5

蓝色：6

紫色：7

灰色：8

白色：9

例如，对于具有棕色、黑色和棕色带颜色的电阻器，我们将具有以下值：

第一个棕色带：1

第二个黑带：0

第三个棕色带：添加 1 个零

因此，电阻值为 100 Ω。

另一个例子，对于具有黄色、紫色和橙色带颜色的电阻器，我们将有以下值：

第一黄带：4

第二紫带：7

第三个橙色带：要添加 3 个零

因此，电阻值为 47,000 Ω，相当于 47 kΩ。根据要测量的电阻值，有必要将测试仪的旋转开关定位在正确的位置，如示例中所示。人体也有自己的抵抗力。如果您尝试用双手触摸欧姆位置的表笔，您将能够读取以下近似值：

手干时约为 10,000,000 Ω (10 MΩ)

大约 700,000 Ω (700 kΩ)，当您的手潮湿或出汗时

手很湿时约为 50,000 Ω (50 kΩ)

此外，盐水比淡水更具导电性。

图 5：可以将电阻器与不同直径的水管进行比较。

结论

要设计简单的电子电路，孩子们应该进行几次实验。即使有些概念还不清楚，也没关系。随着时间和大量的练习，它们将被完美地理解。只能使用电池进行测试，因为它们并不危险。在进行实验时，还建议使用成人的帮助。

审核编辑：汤梓红