設計與應用科技 | 電子信號、裝置及電路

歡迎來到電子世界！

各位同學，大家好！準備好探索奇妙的電子世界了嗎？聽起來可能有點複雜，但別擔心！這一章主要會帶你了解讓各種電子產品運作的「基本法則」和「幕後功臣」。想像一下，這就像讀書前先學會字母一樣簡單。學完這章，你就會明白你的手機、遊戲機，甚至交通燈號是怎麼「知道」該做甚麼的。這就是現代科技的奧秘，而你即將揭開這些神秘的面紗！

電學入門：電壓、電流與電阻

在我們動手建造電路之前，必須先了解電子學中最重要的三個基本概念。讓我們用一個比喻來幫助理解：想像一下，電就像水在管道中流動。

1. 電勢差 (電壓, V)

電壓是讓電移動的「推力」或「壓力」。電壓越高，「推力」就越強。

• 比喻：這就像管道中的水壓。壓力越大，水就越想流得更快。
• 單位：伏特 (V)
• 例子：一粒普通的AA電芯能提供1.5V的「推力」。

2. 電流 (I)

電流是微小的粒子，叫做電子的「流動」。它是指實際流經電路的電量。

• 比喻：這就像每秒流過管道的水量。
• 單位：安培 (A)，通常簡稱「安」。

3. 電阻 (R)

電阻是指任何「阻礙」電流流動的東西。它就像電力流動的「摩擦力」。

• 比喻：這就像把管道變窄。水仍然可以流動，但會變得更困難，因此水流量會減少。
• 單位：歐姆 (Ω)

甚麼是換能器？

換能器是一種特殊的裝置，它像一個翻譯員。它能將一種能量形式轉換成另一種形式。這在電子學中是個超級重要的角色！

• 例子1：一個麥克風就是一個換能器，它將聲能轉換為電訊號。
• 例子2：一個LED就是一個換能器，它將電能轉換為光能。

歐姆定律：電子學的黃金法則

這三個概念 (電壓V、電流I、電阻R) 都透過一個簡單而強大的法則聯繫起來，那就是：歐姆定律。它是電子學中最基礎的公式。別擔心，它很簡單！

這定律說明：

$$Voltage = Current \times Resistance$$ $$V = I \times R$$

記憶小幫手：神奇的三角形！
蓋住你想找的數值，三角形就會告訴你計算公式。
(想像一個三角形，V在頂部，I和R在底部)

• 找V：蓋住V，剩下 I x R。
• 找I：蓋住I，剩下 V / R。
• 找R：蓋住R，剩下 V / I。

電功率：能量的使用速度

功率告訴我們一個裝置使用能量的速度。這對於了解燈泡有多亮，或是馬達有多強勁非常重要。

公式是：

$$Power = Voltage \times Current$$ $$P = V \times I$$

單位：瓦特 (W)

例子：一個連接到12V電源的小燈泡，電流為2A。它的功率是多少？
P = V x I = 12V x 2A = 24W。

重點總結

電壓 (V) 是推力，電流 (I) 是流量，而電阻 (R) 是阻力。它們透過歐姆定律 (V=IR) 互相聯繫。功率 (P=VI) 則代表能量的使用速度。

認識團隊成員：常見電子元件

把元件想像成電子學的樂高積木吧。每一個元件都有它特定的功能。這裡介紹一些你最常會用到的。

電阻器 (控制器)

• 電阻器：最基本的元件。它的作用就是在電路中加入特定大小的電阻，以控制電流。
• 可變電阻器 (電位器)：一種電阻值可以改變的電阻器。通常透過轉動旋鈕來改變其電阻值。常用於音量控制器和調光器。
• 熱敏電阻器：一種熱電阻器。其電阻值會隨溫度變化。常用於數碼溫度計和恆溫器。
• 光敏電阻器 (LDR)：其電阻值會隨光照水平變化。光線越強 = 電阻越小。常用於自動街燈。

開關與保護元件

• 開關 / 按鈕開關：用於開啟或關閉電路，讓電路「斷開」或「接通」。
• 繼電器：一種電子控制的開關。可以用小電流來控制開關另一個獨立的、大得多的電流。它在安全和控制方面非常有用。
• 保險絲：一種安全裝置。它是一根細導線，當電流達到危險水平時，會熔斷並斷開電路，從而保護其他元件。

輸入與輸出 (感應與動作)

• 麥克風：一種輸入換能器，將聲音轉換成電訊號。
• 揚聲器 / 蜂鳴器：輸出換能器，將電訊號轉換成聲音。
• 燈泡 / 馬達：輸出元件，將電能轉換成光或運動。

半導體 (聰明的元件)

• 二極管：只允許電流沿單一方向流動。它就像電力世界的單行道。
• 發光二極管 (LED)：一種特殊類型的二極管，當電流流過時會發光。非常高效！
• 晶體管：這是史上最重要的發明之一！它既可以作為放大器 (使訊號變強)，也可以作為一個速度非常快的電子開關。我們稍後會再深入探討。

其他重要角色

• 電容器：能短暫儲存電能，就像一個小型的快速充電電池。它常用於平滑電壓波動。
• 變壓器：用於「升壓」(增加) 或「降壓」(降低) 交流電壓。你的手機充電器內部就有一個變壓器，將牆壁插座的高電壓降低到手機安全的低電壓。

重點總結

每個元件都有其獨特的功能，從阻礙電流 (電阻器) 和開關電流 (晶體管)，到轉換能量 (換能器，如LED和麥克風)。了解每個元件的作用是理解電路的關鍵。

組合起來：電路

現在，讓我們看看如何將這些元件連接起來。主要有兩種連接方式：串聯和並聯。

串聯與並聯：兩種連接方式

最好的比喻就是傳統的聖誕燈飾！

串聯電路

• 運作方式：元件一個接一個地連接，形成一個單一的迴路。電流只有一條路徑可以流動。
• 比喻：如果其中一盞燈燒壞了 (中斷了路徑)，所有燈都會熄滅。
• 串聯規則：
  • 電流 (I) 在所有元件中都相同。
  • 電壓 (V) 從電源會分佈在元件之間。
  • 總電阻 (R_T) 只是所有電阻的和： $$R_T = R_1 + R_2 + ...$$

並聯電路

• 運作方式：元件連接在不同的支路中。電流有多條路徑可以選擇。
• 比喻：如果其中一盞燈燒壞了，其他支路不受影響，仍然會亮著。這就是你家中燈泡的接線方式。
• 並聯規則：
  • 電壓 (V) 在所有支路中都相同。
  • 電流 (I) 從電源會分佈在支路之間。
  • 總電阻 (R_T) 用以下公式計算 (它總是會小於最小的單個電阻！)： $$ \frac{1}{R_T} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... $$

分壓器：獲取所需電壓

分壓器是一種非常常見且實用的電路。它的作用是將較大的輸入電壓轉換為較小、特定的輸出電壓。它由兩個串聯的電阻器組成。

透過選擇R1和R2的合適數值，你可以從它們之間的點「抽取」任何你所需的電壓。

計算輸出電壓的公式是：

$$V_{out} = V_{in} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$

實際應用：這就是感應器電路的工作原理！例如，如果你用一個光敏電阻器 (LDR) 替換R2，V_out就會隨著光照水平的變化而改變。你就可以利用這個變化的電壓，在天黑時自動開燈！

重點總結

電路可以是串聯 (一條路徑，電流相同，電壓分佈) 或並聯 (多條路徑，電壓相同，電流分佈)。分壓器使用兩個串聯電阻器來產生特定的輸出電壓，這對於感應系統至關重要。

電子學的語言：訊號

訊號是電子裝置之間通訊的方式。它們基本上是隨時間變化的電壓模式。主要有兩種訊號和兩種電流。

交流電與直流電：電流的兩種流動方式

• 直流電 (DC)：電流只沿一個方向流動。它穩定而一致。
  比喻：一條穩定地向下游流動的河流。
  來源：電池、USB接口、手機充電器的輸出。


• 交流電 (AC)：電流快速地改變方向，來回流動。
  比喻：潮汐的漲退。
  來源：你家裡的電源插座。

模擬訊號與數碼訊號：平滑與階梯式

這是現代電子學中最重要的概念之一！

模擬訊號

模擬訊號是連續的。它可以在給定範圍內取任何數值。它會隨時間平滑地變化。

• 比喻：一道斜坡。你可以在其長度上的任何一點站立。
• 例子：你聲音的聲波、水銀溫度計的讀數、麥克風的輸出。

數碼訊號

數碼訊號是離散的。它只能有特定、預設的數值。在大多數電子裝置中，這意味著只有兩個數值：開 (ON) 或關 (OFF) (也稱為高電平/低電平 或 1/0)。

• 比喻：一組樓梯。你只能站在某個台階上，不能站在台階之間。
• 例子：電腦內部的訊號、光碟上的數據、一個簡單的電燈開關的開或關狀態。

你知道嗎？

我們周圍的世界是模擬的 (光線、聲音、溫度都是連續的)。而電腦和手機等現代設備是數碼的。因此，我們需要電路不斷地將訊號從模擬轉換為數碼 (例如你錄製聲音時)，以及從數碼轉換為模擬 (例如你從手機播放音樂時)。

重點總結

電流可以是直流電 (DC) (單一方向) 或交流電 (AC) (改變方向)。訊號可以是模擬的 (平滑連續) 或數碼的 (離散的階梯式，通常是開/關)。大部分現代電子產品都是數碼的。

數碼邏輯：用電路做決策

機器是怎樣「決定」做某件事的呢？答案就是邏輯電路！它們是數碼系統的「大腦」，由能做出「是/否」決策的簡單元件組成。

晶體管：改變世界的小開關

在我們深入了解邏輯閘之前，讓我們先重新認識一下這位超級巨星：晶體管。在數碼電子學中，我們把它當作一個速度驚人的電子開關。

• 作為開關：向晶體管的一個部分 (即「基極」) 提供微小電流，就能讓大得多的電流流過另外兩個部分 (即「集電極」和「射極」)。基極沒有電流表示開關是關閉的 (OFF)。基極有小電流表示開關是開啟的 (ON)。
• 作為驅動器：這種開關能力非常適合「驅動」那些需要比靈敏微晶片提供更大電流的元件。例如，來自微晶片的一個微弱訊號可以開啟一個晶體管，然後這個晶體管就能開啟高功率馬達或響亮的蜂鳴器。

三大基本成員：邏輯閘

邏輯閘是一種電子電路，它有一個或多個輸入和一個輸出。它執行一個基本的邏輯功能。我們使用真值表來顯示每個邏輯閘在所有可能輸入下的行為。

(請記住，在數碼邏輯中，1 = 高電平/開，0 = 低電平/關)。

1. 非閘 (反相器)

這是最簡單的邏輯閘。它有一個輸入和一個輸出。輸出總是與輸入相反。

• 簡單來說：如果輸入是開，輸出就是關。如果輸入是關，輸出就是開。
• 布林表達式： $$Q = \overline{A}$$ (橫線代表「非」)
• 真值表：
  輸入 A | 輸出 Q
       0     |     1
       1     |     0

2. 與閘 (嚴格的那個)

這個邏輯閘有兩個或多個輸入。只有當所有輸入都是開時，輸出才是開。

• 簡單來說：輸入A和輸入B都必須是開，輸出才是開。
• 布林表達式： $$Q = A \cdot B$$
• 真值表：
  輸入 A | 輸入 B | 輸出 Q
       0     |     0     |     0
       0     |     1     |     0
       1     |     0     |     0
       1     |     1     |     1

3. 或閘 (隨和的那個)

這個邏輯閘有兩個或多個輸入。只要任何一個輸入是開，輸出就是開。

• 簡單來說：輸入A或輸入B (或兩者皆是) 必須是開，輸出才是開。
• 布林表達式： $$Q = A + B$$
• 真值表：
  輸入 A | 輸入 B | 輸出 Q
       0     |     0     |     0
       0     |     1     |     1
       1     |     0     |     1
       1     |     1     |     1

組合邏輯閘解決問題

真正的力量來自於將這些簡單的邏輯閘組合起來，創建複雜的邏輯。讓我們設計一個簡單的火警警報系統吧！

問題：我們希望在有煙霧 (輸入A) 並且有高溫 (輸入B) 的情況下，警報器 (輸出Q) 會響起。

分析：這裡的關鍵字是「AND」(並且)。這準確地告訴我們應該使用哪一個邏輯閘！

解決方案：

1. 將煙霧感應器連接到與閘的輸入A。
2. 將熱力感應器連接到與閘的輸入B。
3. 將警報蜂鳴器連接到輸出Q。

現在，只有當A為1 (檢測到煙霧) 並且B為1 (檢測到高溫) 時，警報才會響起。就是這麼簡單！

這些邏輯閘都被封裝在稱為「集成電路」 (Integrated Circuits, ICs) 的黑色小晶片中。其中一個常見的系列是「CMOS」系列。

重點總結

數碼系統使用邏輯閘 (如非閘、與閘、或閘) 來做決策。晶體管是基本的組成部分，它充當一個微小的電子開關。透過組合邏輯閘，我們可以創建解決問題和控制複雜系統的電路。