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EDA硬件电路设计学习记录:零基础融会贯通沉浸式学习 - 小猫小狗都能看懂

作者:秋了秋 发表时间:2023年04月13日

前期概念(电路设计必备常识):

 

原理图:

一堆元器件(原理图库)和元器件之间引脚连线来表示电路图的连接关系,它是抽象的,理论上元件长什么样,怎么布局不会影响电路图使用,重要的是这个元件所绑定的封装是什么,有多少个引脚,每个引脚属性作用是什么。原理图是为pcb服务的,原理图设计好了就可以一键转成pcb。原理图最重要的是连接关系,而相同的连接关系是用相同的网络表示。所以原理图可以支持分页设计或者零散设计,把这些零散的拼成一起是通过网络进行连接,而网络的表示通常有导线名、网络标签、网络标识、网络端口。

原理图概览.png

 

PCB:

Pcb是原理图转换而成,所以最重要的是原理图设计,pcb更注重的是封装库排版和布线。多层板通过过孔之间的连接。在布线之前会有飞线来表示连接关系,叫预拉线,而这是通过原理图逻辑导过来的,与原理图不同的是连接部件原理图叫引脚,pcb叫焊盘。

pcb概览.png

 

PCBA:

Pcb图纸送到工厂生产后的板子再进行实体元器件的焊接得到的成品。

PCBA成品预览.png

PCBA成品预览2.png

 

电流的产生:

万事万物都由无数原子组成,而每个原子由原子核(质子和中子)和核外电子组成,有些物质核外电子不稳定,容易受到磁场的骚扰挣脱原子核束缚到另一个原子核束缚下(捕获),另一个原子为了达到平衡又会把它的核外带相同电性的电子推到下一个原子,一个一个传递就出现了电子的定向移动,于是就有了电流的说法,这种感应速度每秒30万公里。

电流的产生.jpg


电流的流向:

电器需要使用电来驱动,但是电从发电厂通过火线往外送(先送到变压器再送到你家里),变压器到你家里通常有两条线,其中增加了一条零线把没用完的电流回来。流出去的叫火线,流回来的叫零线,而接在火线上的电器会损耗一部分电能转化成其它能(比如光能、动能)。除了火线和零线,还有地线,地线是第三根线,防止电器漏电,把漏的电导到地下避免伤人(保护接地),零线最终剩余的电也将接上地线回到地下(工作接地)。而在电路图中一般用正极和负极表示火线和零线,地线用GND元件标识。

电流流向.png

 

电压(电势差)控制电流,默认大地的电势为0。电流是指电路所承载的最大通道,比如相同材质的导线,同一电压,导线越粗电流越大,单位时间内通过的电流越多。电流是从电势高的一端经电压压向电势低的一端,有电压不一定有电流(没有回路或者没有接地的电路),有电流一定有电压。

 

电流是从电势高的一端流向电势低的一端,对于复杂分支电路(如“日”字型电路)电流走向就很容易确定了,只需要确定每条电路的电势高低即可。

 

问题:既然生产使用的是pcb图纸来生产为啥要先画原理图而不直接画pcb呢?

答:
1.为了确保设计合理,连接逻辑行得通。原理图好比盖房子的图纸,得先确定盖的房子尺寸是否合理,外观是否美丽,结构是否安全,经费是否足够,如果啥都不做就添砖加瓦,中间可能遇到很多难以处理的问题;
2.为了方便维护。如果在设计pcb的时候发现有改动,需要把改动更新到原理图看看是否合理,以及下次改动要基于之前的改动再改动。

3. 为了快速设计。pcb只有一张图把原理图所有页的电路呈现出来,在一张图里面事无巨细地设计效率不高,而原理图可以分开设计,模块化设计,设计完后再一次性更新到pcb即可,不用频繁的在pcb操作逻辑上的东西。

零散设计.png

 

问题:既然电流是电子在导线中单向移动的,最后又接个零线或者地线到大地,把电子释放到大地,那导线的电子不会越来越少吗?最后因为没有电子了而不会产生电?

答:

把格局放大点,其实火线跟大地,大地跟发电厂形成了一个闭环电路,大地含有各种导电物质,是良好的导体,电子流入大地,发电厂又把线圈的送电端的另一端导线插入大地,从大地里面抽回电子,所以电子是守衡的。把格局放小一点就是直流电机使用的电池,只有从电池的正极跟负极使用导体连接在一起才会产生电流,正极流出的电子又通过负极流回电池内部。有时候电器(比如热水壶)金属外壳跟火线接触到了,那这个水壶就充满220v电压,如果人体单手接触,那人体也充满了220v电压,因为没有闭合电路,人体不会感受到电击,原因是没有回路让电子通过人体,一旦人体的其它部位跟地面直接接触或者跟水壶接触就形成了电子的回路通道,造成电击,人体是电阻,电子流经过会发热,导致烧毁器官死亡。这就是为什么有的电器是三插头有的是两插头,三插头的其中有一个是地线,连接大地,那即使触电条件发生电子也不会流到人体内,而是选择畅通无阻的流入大地。

 

问:为什么原理图上面电源输入端都能很容易见到并联一个或者多个电容再接地呢?这样电不是都流到地下去了还怎么进入元器件啊?

答:电容的特性是通交阻直,意思就是给波动的交流电敞开大门,给直流电吃闭门羹,而电容有阻值,规定哪些频率的交流电可以通过。所以特定频率的交流电就相当于短路流入地下,而不符合频率的直流电就会走其它路线去寻宝去了。为啥要并联多个就相当于过滤器过多遍更纯净,只要有钱买电容,多少个都无所谓。同理,并联一个电阻再接地的意图就是分流,把一部分电而不是全部导入地下,留一部分电流向另一个分叉路,避免电流过大烧毁元器件,而需要多少电流可以通过并联电阻的阻值控制,如果不接电阻就接地就相当于短路,分叉路没有电流或者极其微弱。

 并联电容接地.png

问:电路中线条错综复杂怎样才能看懂电路走向?

答:一般找电源VCC(电的源头,不一定是电池或者发电厂,也有可能连接另一个元器件引脚的输出),电流从VCC流出去,有时候会出现分叉有时候是一条。这就是电路中最重要的并联和串联接线方式,只有一条导线经过多个元件就叫串联,如果从一条导线分出多条导线分别连接多个元件这个叫并联。串联的特性是分压,即流经每一个元件的电压由元件的电阻和电流决定,电流衡定,电阻越大电压越大,按此规则按比例分配。而并联的电路特性是分流,每条线路的电压都相等,但是电流不一样,所有分支的电流加起来就是分叉前的总电流,每一条的电流通量由各自的电阻决定,电阻越大电流越小,按此规则按比例分配。电压是一个虚的概念,表示的是电阻两端的电势差,必须要有电阻才有电压的概念,理论上电线也有少量电阻,材质越好,导电性越好,电阻越小。在电阻前给定一个电压,电阻会减小通过的电流,很大一部分电子被挡在了电阻前面,电阻前的电流减去电阻后的电流就是电势差(电压)。欧姆定律公式:U=IR(电压等于电流乘以电阻);电源提供的电压一般是衡定的,电器电阻不同,电流也就不同,电器是否正常工作取决于电流是否是电器规定的电流大小。

 

问:电压未达到某个电器的额定电压,但是电流达到了,电器能正常工作吗?

答:这个是不存在的现象,因为电器电阻衡定,电流足够,根据欧姆定律公式,电压由电流和电阻决定,自然电压也是足够的,此时电器能正常工作。同理,电压达到了,电流未达到也不会存在,因为电流小了,电压也会变小,所以电压不可能达到额定电压。此时电器不能工作,这个问题本身就有矛盾,电器的工作取决于电流,而在某种程度上是电压决定电流,电流决定电压,它们相辅相成。电器的功率公式:P(W)=UI,电压和电流任意一个不满足要求都不能工作,比如手机充电器上我们经常看到有额定电压和电流同时出现,输出5v 20A就是100w快充。

快充头.png

 

问:如果电阻会限制电流的大小,那在串联电路中,每个电阻的电流不是逐级递减吗?这不是违背了串联电路中电流处处相等的原则吗?

答:首先先说明一点,串联电路中电流确实处处相等,即使串联多个阻值不一样的电阻或者负载,电流都相等,电流的大小不是按每个电阻单独去考虑的,而是要把串联电阻所有阻值相加,再来考虑电流大小,每加一个电阻整条线路的电流都会较小,而不是仅仅加的那个电阻的经过的电流变小。这确实有点难理解,在电路中每当碰到难以理解的情形是都可以把电流比喻成水流,电路比喻成水管,在水管里面不同地方放不同大小的石头阻碍水流,会出现流过第一块石头的水流很多,流过最后一块石头的的水很小吗?显然不会,每一处的水流都会受到每一个阻碍相叠加的总体影响,再好理解一点就是,在任意一处加个封死的石块,这条管道是不是每一处都没有水流经过了,水流为0。唯一区别就是水有流速差别,电子都是恒定光速。在水中加入石块水管会减小通过的水流也会降低流速,而电阻只会减小电流,流速不变。

 

问:电压和电流真的成正比关系吗?

答:不一定。根据欧姆定律是这样的,但是你没说明白哪个电压哪个电流,欧姆定律指的是处于同一根电路上的电阻两端的电压电流,如果用发电厂的电压跟你家的电流就不成这个关系。

 

问:怎么理解电功率公式P=UI?

答:可以比作瀑布,你站在瀑布底下,水打在你身上的痛度就是功率,相同高度下,水流越多打在你身上越痛,最好就只有一滴水。相同水流下,瀑布高度越高打在你身上越痛,最好就在你头顶,洗个澡而已。那假如水又多又越高呢,这痛度就是两者痛度的乘积!

 

问:据等效电路观测,所有负载端视为一个固定阻值的电阻,高压输电,电压越高,电流越小,这不是跟欧姆定律相违背吗?

答:这个问题问得很好,网上几乎没有答案。以下是我个人拙见。因为不是纯电阻电路,中间还有降压器,根据等效电路,降压器可视为一个可变电阻,电压越高阻值越大,而且大的幅度比电压还要高,所以导致发电厂跟减压器之间的电流很小,降压器从地下重新补充电子送到用户端。降压器工作用电功率公式P=UI来解答,想要输送一定的功率,电压越大,电流就越小,电流小了在输电线上产生的热损耗越小,传输效率越高。


问:电子会被负载消耗吗?比如转换成光能电能机械能化学能。

答:电子不会损耗,转换成光能电能机械能化学能是电子势能在做功。比如水流推动发动机转动,水是不会减少的,但是水的流速会减小,在电路中体现的就是电压降低。


电阻、电容、电感、接地在原理图中会大量见到,其共同作用就是控制每条电路的电流量和稳定性以达到接入元器件引脚的网络带的电符合元器件数据手册规定的电流。

原理图概览.png

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