任务一 电路元器件识别与测试
一、任务描述与目标
组装调试一部指针式万用表，学生需要先了解电路图，确定出主要元器件型号、数量，选择合适的元件。本单元的主要任务就是学习电路元器件的相关知识，学会基本电路元器件的识别。
知识目标：
了解电阻、电位器、电容、电感的定义；
了解基本电路元件的基本作用；
掌握电阻、电位器、电容、电感的符号、单位、种类、参数。
能力目标：
会辨识各种电路元件；
会根据要求选择合适的元件；
掌握各种元器件的符号、单位、种类、参数的读取方法；
掌握各种元器件的标注方法和性能测量方法。
二、相关知识
（一）电路的组成
1.电路的概念及组成
电路是指电流的通路，即把电工或电子元器件按照需要的方式用导线连接起来组成的电流通路。
一个简单的电路至少由四部分组成。
①电源：是为电路提供电能的器（部）件，如电池、发电机。
②负载：是消耗电能并将它转换成所需的光能、热能、机械能的装置，如灯泡、电热丝、电动机。
③控制装置：是用来控制电路开始或停止工作的装置，如开关。
④导线：它连接电源、负载，形成电路的通路，如金属导线。
如果是功能复杂的电路，还要增加保护电路，以保证当电路出现故障时，电路停止工作，保护电路本身，不使故障范围扩大。
2.电路原理图
在电工电子技术中，为了更方便地分析和研究问题，通常在描述电路时用元器件符号电路图表示实际元器件电路，使用元器件图形符号表示元器件且按一定方式将电子元器件图形符号连在一起的图称为电路原理图。图1-1（a）所示为实际电路，（b）为与其对应的电路原理图。
图1-1 实际电路与电路原理图
3.电路的基本物理量
（1）电流强度
电荷的定向移动形成电流，电流强度是指单位时间内通过导体的横截面的电荷量，简称电流。如果电流随时间变化，用小写字母i表示，则
（1-1）
如果电流不随时间变化，是大小恒定的直流，则用大写字母I表示，即
（1-2）
（2）电压
带电体周围存在着电场，电荷在电场中会受到电场力，当电场力使电荷移动时，电场力就对电荷做了功，单位电荷移动时电场力对其所做的功称为电压。
如果电压随时间变化，用小写字母u表示，有
（1-3）
式中，uab为a点到b点的电压，dWab为正电荷dq由a点移动到b点电场力所做的功。
如果电压不随时间变化，则用大写字母U表示，有
（1-4）
（3）电压与电流的方向
电流和电压都存在实际方向，特别是交流电流和电压，其实际方向总是瞬变的。电流的实际方向规定为正电荷移动的方向，电压的实际方向规定为由高电势端指向低电势端。为了便于电路分析，可任意选定某一方向作为电流（或电压）的参考方向，当参考方向与实际方向一致时，电流（或电压）取正值，当参考方向与实际方向相反时，电流（或电压）取负值。
电路图中电流（或电压）的参考方向可以用带箭头的直线表示，如图1-2所示。
图1-2 电压和电流的参考方向表示
图1-2中，电流（或电压）参考方向选定之后，电流（或电压）值的正与负就决定了电流（或电压）的实际方向。
（4）电位与电动势
①电位。为了便于分析，在恒定电场中选取某一点o为参考点，规定参考点o的电位为0V，即Vo=0。电场力把单位正电荷q从电路中某一点a沿任意路径移动到参考点o时电场力所做的功，称为a点的电位，记为Vao。电路中任意一点的电位就是该点与参考点之间的电压。电路中任意两点之间的电压则等于这两点电位之差，即
（1-5）
参考点的选择是任意的，因为各点的电位高低是相对于参考点而言的，选取不同的参考点，电场中各点的电位值也就不同（电位可为正值或负值，某点的电位高于参考点，则为正，反之则为负），但是参考点一旦选定后，电场中各点的电位就只能有一个确定的数值。而电压的数值是不随参考点的变化而变化的，一旦a、b两点的位置确定，不管参考点如何变更，a、b两点之间的电压只有一个数值。
②电动势。为了维持电路中电荷源源不断地移动，以产生电流，必须要有一种外力源源不断地把正电荷从低电位端移到高电位端，使a极的电位升高，以保持导体中正电荷的不断移动，在电源内部就存在这种外力，称为电源力。电源力把正电荷从低电位端经过电源内部移动到高电位端所做的功就称为电源的电动势。
电动势是一个标量，但它和电流一样有规定的方向，电源内部电动势的方向规定从低电位端指向高电位端，也就是说，当电动势为正数时，电动势的方向就是电位升高的方向。电动势数值与电源的开路电压相等，单位也是V，因为当电源处于开路状态时，电源中没有电荷的移动，这时电场力与电源力相平衡，电场力和电源力对正电荷做功的能力相等。
（5）电功和电功率
电功是电流所做的功，电流做功的实质是把电能转换为其他形式的能。
在图1-3中，电流I和电压U参考方向一致，在时间t内电荷Q受电场力的作用从A点经负载移到B点，电场力所做的功为：
（1-6）
图1-3 电阻消耗能量
式中，W为电功，J。有时电功也用度（kW·h）表示，1度=1kW·h=3.6×106J。
电流在1s内做的功称为电功率，电功率的表达式为
（1-7）
在电路分析中，有时不仅要计算某元件电功率的大小，还要判断功率的性质，即该元件是输出功率还是消耗功率。电压和电流的参考方向一致时，P=UI；电压和电流的参考方向不一致时，P=-UI，如图1-4所示。P＞0时，表示元件消耗功率，相当于负载；P＜0，表示元件输出功率，相当于电源。
图1-4 电流与电压的关系示意图
4.电气设备的额定值
为了保证电气设备在使用期限内安全、可靠运行，制造厂家给出了设备各项性能指标，对其电流、电压和功率设定了一个限额值，这个限额值就称为电气设备的额定值。电气设备的额定值主要有额定电流IN，额定电压UN和额定功率PN。
（1）额定电流
电气设备长时间运行导致温度达到最高允许温度时的电流，称为额定电流。额定电流用IN表示。
（2）额定电压
允许加在电气设备上的电压限值，称为额定电压。额定电压用UN表示。
（3）额定功率
在直流电路中，额定电压与额定电流的乘积就是额定功率，即PN=UNIN。额定功率用PN表示。
电气设备的额定值都标在铭牌上，使用时必须遵守。例如，一盏日光灯，标有“220V，40W”的字样，表示该灯在220V电压下使用，消耗功率为40W，若将该灯泡接在380V的电源上，则会因电流过大而使灯丝烧毁；反之，若电源电压低于额定电压值，虽然灯泡仍能发光，但灯光比较暗淡。在额定范围内使用，才能保证用电设备运行安全、可靠、经济、合理，并延长使用寿命。
在额定电压下，负载的工作电流超过额定电流值称为超载或过载；反之，负载的工作电流低于额定电流值称为欠载或轻载；当工作电流等于额定电流值时，称为满载。
5.电路的基本状态
电路在不同的工作条件下会呈现不同的工作状态，也有不同的特点。充分了解电路不同工作状态和特点对安全用电与正确使用各种类型的电气设备是十分必要的。直流电路的基本状态包括有载状态、开路状态和短路状态三种。
（1）有载状态
接通电源US（内阻为R0）和负载RL，电路中产生电流I，即电路处于有载状态，如图1-5所示。有载状态的特点是电流在电路中形成闭合回路，负载上有电压和电流，存在功率消耗。
图1-5 电路的有载状态
（2）开路状态
如图1-6所示，电路中开关S未闭合，电路中没有电流，电路呈现开路状态（或断路状态）。这时电源两端的端电压Uab（称为开路电压或空载电压）等于电源的电动势。因为没有负载消耗电能，所以电源不能输出功率。开路状态的特点是电路中没有电流，负载上没有电压和电流，不存在功率消耗。
图1-6 电路的基本状态
（3）短路状态
电路中电源的两端a、b由于某种原因被一根导线连接起来，这时电路所呈现的状态称为短路，如图1-6（b）所示。电源短路时，外电路的电阻可视为零，电路中的电流不再流过负载电阻RL，而是通过短路导线ab直接流回电源。因为在电流的回路中只有很小的电源内阻R0，所以这时在电源电压作用下会产生极大的电流，这个电流被称为短路电流IS。
电源短路状态的特点是负载两端的电压为零，电源也不输出功率，电源所产生的电能全部为内阻R0所消耗，并转换成热能，使得电源的温度迅速上升，导致电源损坏。
（二）电路基本元器件认识
1.电阻元件
电阻是电路中阻止电流流动，表示能量损耗大小的参数。电阻元件是用来模拟电能损耗或电能转换为热能等其他形式能量的理想元件。电阻元件习惯上简称为电阻。电阻有线性电阻（这里只讨论线性电阻）和非线性电阻之分。
所谓线性电阻，是指电阻元件的阻值R是个常数，加在该电阻元件两端的电压u和通过该元件的电流i之间成正比关系，即
（1-8）
常见电阻如图1-7所示。
图1-7 常见的电阻
在保持温度不变的条件下，电阻值的大小与电阻率、导体的长度、导体的横截面积有关，即
（1-9）
式中，R为导体的电阻；ρ为电阻率；l为导体的长度；S为导体的横截面积。
2.电感元件
许多电工设备、仪器仪表中都有线圈，如变压器线圈、日光灯镇流器线圈等。这些线圈称为电感线圈或电感器。电感是反映磁场能性质的电路参数。电感元件是实际线圈的理想化模型，假想是由无阻导线绕制而成的，用L表示，其电路符号如图1-8所示。常见电感如图1-9所示。
图1-8 电感元件电路符号
图1-9 常见的电感
（1）电感系数
由物理学知识可知，电流i通过电感线圈时会产生磁通Φ。对N匝线圈，其乘积NΦ称为线圈磁链ψ。一般规定磁能Φ和磁链ψ的参考方向与电流参考方向之间满足右手螺旋法则，在这种参考方向下，任何时刻线性电感元件的磁链ψ与电流i成正比，比例系数称为电感系数L，即
（1-10）
（1-11）
电感系数L的单位为H（亨利）；磁链和磁能的单位均为Wb（韦伯）。
空心线圈的电感系数L是一个常数，与通过的电流的大小无关，这种电感称为线性电感。线性电感的大小只与线圈的形状、尺寸、匝数以及周围物质的导磁性能有关。线圈的截面面积越大，匝数越多，电感系数越大。
（2）电感元件的伏安关系
根据电磁感应定律，当电流i随时间t变化时，磁链、磁通也会发生变化，同时在电感线圈两端会产生感应电动势eL，即
（1-12）
在电感元件两端会产生感应电压uL，若电压uL与电流i参考方向一致，其伏安关系为
（1-13）
即电感两端电压与通过电流的变化率成正比。
3.电容元件
（1）电容
电容元件（用C表示）通常由用绝缘介质隔开的两块金属板组成，这种结构的电容称为平板电容，中间的绝缘材料称为绝缘介质，如图1-10所示。实际的电容元件忽略介质及漏电损耗就是理想电容元件。常见电容如图1-11所示。
图1-10 平板电容器
图1-11 常见的电容
当在电容元件两端加上电源时，两块极板上便聚集起等量的正、负电荷，如图1-10（b）所示，其电荷量q与外加电压u之间有确定的函数关系。对于线性电容元件，q、u之间的关系为
（1-14）
式中，C为电容元件的电容量，单位为F（法拉）。
电容量C的大小与两端电压u无关，仅与电容器元件的形状、尺寸及电介质有关。如平板电容器的电容量C为
（1-15）
式中，A为两极板正对面积，d为平行极板间距离，ε为电介质的介电常数。
（2）电容元件的伏安关系
电容元件如图1-12所示，若所加电压u随时间t变化，则电容C极板上的电荷量q也随时间变化，根据电流定义，这时电容上便有电流通过。若电流i与电压u取关联参考方向，则
（1-16）
图1-12 电容元件
通过电容的电流与电容两端电压的变化率成正比。
（三）电路的基本连接
1.电阻的串联
将若干个电阻无分支地依次相连，如图1-13所示，这种连接方式称为电阻的串联。
图1-13 电阻串联及其等效电路
串联电阻电路具有以下特点。
①通过各个电阻的电流相同，即
（1-17）
②串联电阻两端的总电压U等于各电阻上电压的代数和，即
（1-18）
③串联电阻电路的总电阻（等效电阻）R等于各电阻值Ri之和：
（1-19）
④各串联电阻电压与其阻值成正比，即
（1-20）
串联电阻电路的这一特性称为分压特性。
⑤串联电阻电路消耗的总功率P等于各串联电阻消耗的功率之和，即
（1-21）
2.电阻的并联
将若干电阻首尾端分别连接在两个公共节点之间，如图1-14所示，这种连接方式称为电阻的并联。
图1-14 电阻并联及其等效电路
并联电阻电路具有以下特点。
①各并联电阻的端电压相同，即
（1-22）
②流过并联电阻电路的总电流I等于各支路电流的代数和，即
（1-23）
③并联电阻电路的总电阻R的倒数等于各并联电阻倒数之和：
（1-24）
也可以说，并联电阻电路的总电导G等于各并联电阻电导之和，即
（1-25）
④流过各并联电阻的电流与其阻值成反比，即
（1-26）
并联电阻电路的这一特性称为分流特性。
对于两个电阻并联的电路，如图1-15所示，其等效电阻为
图1-15 两个电阻并联电路
两个并联电阻上的电流分别为
（1-27）
⑤并联电阻电路消耗的总功率P等于各并联电阻消耗的功率之和，即
（1-28）
由式（1-28）可知，各并联电阻消耗的功率与其阻值成反比。
在实际电路中，负载一般都是并联使用的，它们处于同一电压之下。并联的负载越多，总的负载电阻越小，负载消耗的总功率和电路中的总电流就越大。
3.电容的串联
把两个或两个以上的电容连接成一串，使电荷分布到每个电容的极板上，这种连接方式称为电容的串联，如图1-16所示。多个电容构成的串联电路，也可以用一个等效电容来代替。
图1-16 电容的串联及其等效电路
电容串联时，总电容量C与各电容之间的关系为
（1-29）
4.电容的并联
把两个或两个以上的电容并列地连接在两点之间，使每一电容两端承受相同电压的连接方式称为电容的并联，如图1-17所示。多个电容构成的并联电路，也可以用一个等效电容来代替。
图1-17 电容的并联及其等效电路
电容并联时，总电容量C与各电容之间的关系为
（1-30）
5.电感的串联
把两个或两个以上的电感连接成一串，这种连接方式为电感的串联，如图1-18所示。多个电感构成的串联电路，也可以用一个等效电感来代替。
图1-18 电感的串联及其等效电路
若有两个电感相串联，则其等效电感为
（1-31）
6.电感的并联
把两个或两个以上的电感并列地连接在两点之间，使每一电感两端承受相同电压的连接方式称为电感的并联，如图1-19所示。多个电感构成的并联电路，也可以用一个等效电感来代替。两个电感相并联，则其等效电感为
（1-32）
图1-19 电感的并联及其等效电路
7.电池的串并联
在实际应用中，常常需要有较高的电压或较大的电流，需要把几个相同的电池连在一是使用，连在一起使用的几个电池称为电池组，电池组的基本接法有串联和并联两种。
（1）电池的串联
把第一个电池的正极和第二个电池的负极相连接，再把第二个电池的正极和第三个电池的负极相连接，像这样依次连接起来，就组成了串联电池组，如图1-20所示。第一个电池的正极就是电池组的正极，最后一个电池的负极就是电池组的负极。
图1-20 串联电池组
设串联电池组由n个电动势都是E、内电阻都是R0的电池组成，则整个电池组的电动势为
（1-33）
由于电池是串联的，电池的内电阻也是串联的，因此，串联电池组的内电阻为
（1-34）
所以，串联电池组的电动势等于各个电池电动势之和，其内电阻等于各个电池内电阻之和。
（2）电池的并联
把电动势相同的电池的正极和正极相连接，负极和负极相连接，就组成了并联电池组，如图1-21所示。并联在一起的正极是电池组的正极，并联在一起的负极是电池组的负极。
图1-21 并联电池组
设并联电池组由n个电动势都是E，内电阻都是R0的电池组成，则并联电池组的电动势为
（1-35）
由于电池是并联的，电池的内电阻也是并联的，因此，并联电池组的内电阻为
（1-36）
所以并联电池组的电动势等于一个电池的电动势，其内电阻等于一个电池内电阻的n分之一。
三、任务实施
（一）任务实施内容
①电路元器件识别；
②电路组装。
（二）任务实施要求
①熟练识别常见电路元器件；
②掌握色环电阻的读取方法；
③掌握电路基础知识。
（三）任务所需设备
①常用电阻电容等电路元器件：若干；
②实训台：1台；
③导线、电池：若干；
④电路板：1块。
（四）任务实施步骤
1.根据图1-22所示电路图，分组讨论以下问题
图1-22 电路图
（1）什么是电路？
（2）电路由什么组成？
（3）电路的功能是什么？
（4）图中有什么元器件？
（5）图中的A和V是什么？
（6）电压和电流的定义是什么？
2.根据所学内容，识读图1-23所示电路图，回答下列问题
图1-23 电路图识读
（1）图中有什么元器件？
（2）分别说出各个元器件的名称和作用。
3.电路元器件识读
①R1阻值为3300Ω，允许误差±5%，画出该电阻的色环并标注颜色说明。
②R2阻值为620Ω，允许误差±10%，画出该电阻的色环并标注颜色说明。
③识读发放给本组的色环电阻并记录数据，填入表1-1。
表1-1 电阻记录表
④识读发放给本组的电容并记录数据，填入表1-2。
表1-2 电容记录表
⑤上网搜索电感的不同类型，并记录数据。
四、知识拓展——电阻的标注方法
（一）电阻的基本参数
电阻的基本参数有标称阻值、阻值误差、额定功率、最高工作温度、最高工作电压、噪声电动势等。选用电阻时，一般只考虑标称阻值、阻值误差和额定功率，其他几项参数只有在特殊需要时才考虑。
①标称阻值。电阻的标称阻值是指电阻表面所标的阻值。例如E24系列中的1.5Ω、15Ω、150Ω、1.5kΩ等。
②阻值误差。实际阻值与标称阻值的差值除以标称阻值所得的百分数就是阻值误差。普通电阻的阻值误差一般为±5%、±10%、±20%。
③额定功率。电阻接入电路后，通过电流时便会发热，如果温度过高就会被烧毁。通常，在规定温度和大气压下，电阻在交流或直流电路中能长期连续工作所消耗的最大功率称为额定功率。
（二）电阻的标注方法
电阻的标称阻值、阻值误差、额定功率等参数一般用数字和文字符号直接标在电阻的表面上，称为直接标注法；也可用代表不同含义的颜色环表示，即色环标注法。
色环电阻是电子电路中最常用的电子元件，它通过在普通电阻的外封装上涂上不同颜色的色环，用来区分电阻的阻值。色环标注颜色醒目，标志清晰，不易褪色，从各方向都能看清阻值和偏差，有利于电气设备的装配、调试和检修，因此国际上广泛采用色环标注法。色环电阻的基本单位有欧姆、千欧和兆欧。
色环电阻可以分为四环和五环，自左至右进行识读，其色环属性说明如图1-24所示。
图1-24 电阻色环属性说明
色环识电阻
由图1-24可知，四环电阻前两环为数字，第三环表示阻值倍乘的数，最后一环为误差；五环电阻前三环为数字，第四环表示阻值倍乘的数，最后一环为误差。误差标注通常是金、银和棕三种颜色，金色的误差为5%，银色的误差为10%，棕色的误差为1%，无色的误差为20%，另外偶尔还有以其他颜色代表更精确一些的误差。
（三）电阻的型号命名
根据中国国家标准，电阻器的型号由四部分组成：第一部分用汉语拼音表示主称，用R表示电阻器，用W表示电位器；第二部分用汉语拼音表示材料；第三部分用汉语拼音或阿拉伯数字表示特征；第四部分用阿拉伯数字表示序号。例如高功率碳膜电阻器型号命名如下：
（四）常见电阻器的类型及特点
1.碳膜电阻
型号：RT型；
应用特点：性能一般，价格便宜，大量应用于普通电路中。
2.金属膜电阻
型号：RJ型；
应用特点：体积小、噪声低、稳定性好，但成本较高，多用于要求较高的电路中。
3.金属氧化膜电阻
型号：RY型；
应用特点：性能可靠、过载能力强、功率大。
4.实心碳质电阻
型号：RS型；
应用特点：过负荷能力强，可靠性较高，但噪声大、精度差、分布电容电感大，不适宜要求较高的电路。
5.线绕电阻
型号：RX型；
应用特点：阻值精确，功率范围大，工作稳定可靠、噪声小、耐热性能好，主要用于精密和大功率场合。但其体积较大、高频性能差、时间常数大，自身电感较大，不适用于高频电路。
6.碳膜电位器
型号：WT型；
应用特点：阻值变化和中间触头位置的关系有直线式、对数式和指数式三种，并有大型、小型和微型几种，应用广泛。
7.线绕电位器
型号：WX型；
应用特点：阻值变化范围小，寿命长、功率大。