数字制造讲义03-电路基础
数字制造讲义01-成为数字世界的建造者
数字制造讲义02-Arduino入门
上一节课，我们学习了时下最普及的单片机开发软硬件工具 Arduino。今天我们来了解 Arduino 开发板，以及其他电子元器件背后的基础——电路。
上次我们用 Arduino 和面包板搭了第一个简单的电路，了解到电路就是电流的通路，电流给电路中的负载输送能量，负载将电能转化为其他能量，比如💡亮起来。
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电路101
如果把电流比作水流，那么电路就有点像为水流提供通路的水渠。在没有人为干预的情况下，水从高处向地处流。如果想给不同高度的地方提供用水，就需要建造水塔，或者用水泵把水从 A 处运送到 B 处。
电流也是类似。电源是电位/电压的高点，接地点是电位的零基准点，电流由两点之间的电压差形成，从电压高的地方流量电压低的地方。
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在流动的过程中，河床或水渠不可能绝对平整，而是会坑坑洼洼高低起伏，这样就对水流产生了一些阻碍作用。在电路中也是类似，电阻对电路产生阻力 (通过将电能转化为热能)。
简单来说，电路有三种状态：通路，开路（某处断开）和短路。
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其中短路是指，电路中有很大电流流过，但不流过负载，负载不起作用。咳咳，也就是说，在电路中走捷径是有代价的（🤦♀️）。
下面这个视频，可以帮助我们形成对电路更直观的印象：
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从电流/水流的类比中，我们总结出电路中几个基本的规律：
- 电流趋向于电阻小的路径 (最小阻力原则)
- 电路始终要接地 (有始有终原则)
- 要防止短路 (有钱也不能任性原则)
电路102
串联和并联
电路有两种基本类型：串联和并联。
为什么要学这个？因为它们是计算电路中电阻、电流等数值的基础知识。比如，要点亮多个 LED，需要多少伏的电源？
当多个元件串联（下图图二）时，会平均「瓜分」掉整段串联电路两端的电压，也就是起到分压作用。当多个元件并联时(下图图三)，「复制」了原本只有 1 个元件时的电压。
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via tinkercad.com
再仔细观察一下，对比图一，为什么图二中的 LED 几乎没有亮？图三的 LED 为什么稍微暗一点？(图中的电阻都是 60Ω)
在图一中，我们测到点亮 LED 所需的电压约为 2V。如果要在串联电路中点亮两个 LED，那么根据「瓜分」原理，就需要提供 4V 的电压。但是图二的电池只有 3V，所以灯就点不亮啦。
在图三中，如果用万用表测量 LED 两端的电压，会发现电压只稍微下降到 1.9x V，LED 只是稍微变暗一点，接入很多 LED 也可以点亮。
欧姆定律
V = I * R
流过电阻的电流 I 与电阻两端电压 U 成正比，与电阻 R 成反比
大家对欧姆定律都不陌生。那么知道欧姆定律在这门课中，最直接的应用是什么？它帮助我们计算电路中需要用多少阻值的电阻。
在前面一部分，我们讲过要防止短路。短路的本质就是电路中有很大的电流通过，这样会烧坏电路元件。电阻的作用是限制电流的大小，保护元件，保持电路正常运作。
比如一个 LED 的额定电流是 20 mA，我们手头只有一个 9V 电池。
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如果要保证 LED 安全，电路的阻值应该为 9V / 0.02A=450Ω 。这样我们就知道应该选择多少阻值的电阻加入到电路中了。
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律？有什么用？
我们已经有欧姆定律了，为什么还需要多一个定律？因为电路也是会变得很复杂的嗯，比如有多个电池并联，比如要在电阻电路中加入电容(下一节会介绍)，那该怎么计算其中的电流与电压？
19世纪，德国物理学家基尔霍夫扩展了欧姆定律，提出基尔霍夫定律：
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基尔霍夫第一定律(电流定律)
在任何一个节点电路，流入该节点的总和电流，等于流出该节点的电流的总和，或：所有进入某节点的电流总和,等于所有离开这节点的电流总和。
power: P = I2 , R = I V
基尔霍夫第二定律(电压定律)
沿着闭合回路所有元件两端的电势差（电压）的代数和等于零。或者，所有电动势的代数和，等于所有电压降的代数和。
基本电路元件
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它们在电路图中的表示方法：
电阻
电阻的主要作用是限制电流。
不同的电路需要选择不同形态的电阻：DIP，SIP，SMD。
DIP（dual in-line package），两头都有引脚的电阻，是入门时使用的常见电阻。
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这种电阻的阻值一般通过彩色的色环识别。有 4 环和 5 环两种标记方法，一般是记不住的，手头备一张色环卡比较实在：
第一、二环是读数，第三环(五环的话是第四环)是乘数，比如 红-红-棕 表示 220 V。
SIP (single in-line package)，一头有引脚的电阻：
SMD (Surface Mounted Device)，贴片电阻，用于常见的 PCB 电路板：
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电容
电容又是什么？
顾名思义，可以作为电荷容器的一种元件。
- 充放电特性：电容将电路中的电荷收集起来，然后在电压变化时放电。
- 阻直通交特性：阻止直流电流通过，允许交流电流通过(像个交警)
电容试图抵抗电路内的电压变化。因此，电容通常连接在电源和地之间，以保持稳定的电源并滤除间歇性的电压尖峰和下降。
其他元件就不继续一一介绍了。元件外型可以到 Explore/3DModels | library.io 查看，元件的参数可以找到对应的 datasheet 查看。
电路图
电路图就是将各种元件连接起来组成完整电路的图示。
运用前面学过的知识，我们可以开始搭建电路图。在实际接线之前，建议先用工具画出接线图，可以帮助我们理清电路的功能和部件。推荐使用 Tinkercad 的 circuit 模块，网站上提供了一些常用的电路元件，方便快速搭建出虚拟电路。
更棒的是，它还提供了电路模拟运行的功能，分析电路中可能出现的问题，尤其是存在短路时会明确提示。这样就再也不用担心电路接不好会频繁烧坏元件了！✌️
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更让人开心的是，还集成了 Arduino 的模块功能，让没有编程基础的使用者，也能快速上手编写简易程序：
去试试看吧~ 👀
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