3.1　万用表和电压、电流、电阻

电路可视化必不可少的测量工具是万用表。本节将介绍使用万用表测量电压、电流和电阻的方法，以及常见的与电压、电流和电阻相关的电子元件。

表3.1描述了上述测量工具和电子元件。

1. 测量交流电压（V～）

将万用表的黑色表笔插入com孔，红色表笔插入VΩ孔。万用表的V～区域，包括2V、20V、200V、750V四个档位。这些档位指的是最大测量范围。在不清楚测量对象的大致范围时，一般采取的策略是“先大后小”，意思是先选择大档位（如果显示为1，表示超出测量范围），再往小逐级搬动档位，直到显示正确的测量数值。测量其他类型时，同样也采取这种“先大后小”的方法。

如图3.2所示，将正中间的档位旋钮，切换到V～区域中的750档。这时，将黑色表笔和红色表笔分别插入电源插板的两个插口上，此时显示220，表示电压为220V，并且此时的红色表笔所测试的孔为正极；如果显示为—220，表示此时电压为220V，红色表笔所测试的孔为负极。一般的市电是220V±10%，如果有一些变动，属于正常情况。通常在家用电器设计时，设计的电压波动范围为220V±10%，也就是198～242V。

2. 测量直流电压

（1）电源的电气符号。

电源的电气符号如图3.3所示，其中长线一端表示正极，短线一端表示负极，简称“长正短负”。正负极也有单独的符号，如表3.2所示。

直流电的获得途径如图3.4所示，包括使用电源适配器、使用锂电池和使用干电池三种方式，电容是一种特殊的存储电能的方式。

（2）电源适配器。

在万用表的直流电压V-区域，共有5个档位，从小到大分别是200mV、2V、20V、200V、1000V。常见的直流电源是电源适配器，图3.5为12V电源适配器，图3.6为5V电源适配器，图3.7为3V电源适配器。

在一般情况下，这类电源适配器背面都有标注，常见的电源适配器输入电压为100～240V，输出电压有3V、5V、12V等。其中电压为100～240V，这类电器全球通用。

图3.8演示了用万用表测量直流电源的方法。测量直流电源适配器时，将万用表档位切换到20V档位，然后将万用表的红色表笔接到电源适配器的输出接口的内孔，黑色表笔接到该适配器接口的外面。此时，就可以观察到数据显示了。如果显示的数据与所测适配器背面的标注相同，说明这款适配器工作正常；如果显示的数据为0，表示该适配器已损坏。

（3）锂电池。

两支单支3.7V的18650电池串联在一起，组成了7.4V的锂电池组；同样，如果使用两支单支4.2V的18650电池串联在一起，就可以组成8.4V的锂电池组。由电池串联组成的锂电池组的外形如图3.9所示。

使用三支单支3.7V的18650锂电池串联在一起，就组成了11.1V的锂电池组；如果使用三支单支4.2V的18650锂电池串联在一起，就组成了12.6V的锂电池组。通常统称为12V锂电池组，外形如图3.10所示。

（4）干电池。

常见的干电池包括9V的方型电池、1.5V干电池和电容，如图3.11所示。

干电池，又称碱性电池，按大小分为0号、2号、5号、7号、9号和9V电池，如图3.12所示。

（5）9V电池。

9V干电池如图3.13所示，9V干电池通常为碱性电池，也就是一次性电池，用完后不能充电。由于这种电池使用地方较少，因此，很少有厂家做成可充电的9V锂电池。9V电池输出电压就是9V，常用于无线话筒、万用表、各种仪表等，常见用途如图3.14所示。

近年来，随着Arduino的应用越来越多，9V干电池又被广泛地应用到Arduino作品中，配上专用连接线，用于驱动Arduino主板，如图3.15所示。

（6）电容。

电容，在电路中符号是C，单位为F（法拉），电容的电路符号如图3.16所示。常见的电容分无极性电容、有极性电容和可变电容三种。

电容，顾名思义是存储电的容器，我们也可把它理解成为一种特殊电池。在电路中，我们希望一直获得一个非常稳定的直流电源，但由于各种原因，稳定的直流电源总会受到影响。就好像河流中如果没有水库，一下雨，河流马上就要涨水，天晴一段时间又会干涸一样。如果在河流中修建水库，天晴时，靠之前存储的水，给下游供应稳定的水流；如果天降大雨，水库将这些雨水全部存储起来，还是按照之前的流量，稳定地给下游供水。这样，不论天晴还是下雨，下游总能获得一个稳定的水流，这是水库的作用，电容在电路中也起到水库的作用。常见的用法是在小马达两端连接了一个0.1uF的旁路电容，以用于稳定马达两端的电流涌动，如图3.17所示。

3. 测量电流

（1）导体。导体（Conductor）是指电阻率很小，且易于传导电流的物质。

导体中存在大量可自由移动的带电粒子，称为载流子。在外电场作用下，载流子做定向运动，形成明显的电流。

金属是第一导体，常见金属中，按照金属的电阻率（Ω·m）从小到大排列为银、铜、金、铝、钨、铁、铂、锰铜。可以看出，其中银的导电性能最好，但比较贵，且质地柔软易断；铜是导体的最优材料，导电性能很好，价格适中，质地能满足需要，且不会生锈；金属于贵金属，用作普通导体，价格太昂贵，常用于制作手饰；铝易断和氧化，也不理想；钨就是白炽灯光中的发光体，吹一口气就断了，不能用作导体；铁很容易生锈，早期被使用过，现在一般都不用了；铂和锰铜很少，所以也很少用。综合起来，使用最多的导体就是铜。

（2）二极管。常见的二极管如图3.18所示。

二极管的单向导电性可以用单向水阀来形象地描述。当电流从正极流向负极时，单向阀导通；交换单向阀方向，此时的正极电流试图流向负极时，由于单向阀关闭了，所以电流不能流向负极。

图3.19是一个二极管正向导通的电路原理图。二极管在电路中的作用是单向导通性，当开关按下时，电流从电源的2号端口（正极）出发，依次经过开关、电阻、发光二极管，再回到电源负极，此时发光二极管亮起。

图3.20是一个二极管反向截止的电路原理图。当按下开关时，电流从电源的2号端口（正极）出发，到左侧的发光二极管时，由于该发光二极管方向不对，电流不能被导通到发光二极管的另一侧，因此，此电路中发光二极管不会亮起。

（3）发光二极管。常见的发光二极管如图3.21所示。发光二极管是一种特殊的二极管，当电流流过时会发光；发光二极管的引脚分为长脚和短脚，长脚连接正极，短脚连接负极。只有在正确连接时，发光二极管才会亮起。

发光二极管耗电量很小，亮度很高，且寿命很长，所以，现代很多照明灯具都采用了这种发光二极管作为发光体。

4. 测量电阻

万用表的欧姆档有7个档位，分别是200Ω、2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ、20MΩ、200MΩ。图3.22演示了用万用表测量电阻的方法，将万用表切换到200MΩ档，将万用表的黑色表笔贴在电阻一端，将红色表笔贴在电阻的另一端，观察万用表的显示，如果显示为1，表示超出范围，逐步调小档位，再观察显示，直到准确测量出该电阻的值。

常见的电阻分为固定电阻器和可变电阻器两大类。图3.23是一些常见的固定电阻器。也就是说，固定电阻器的电阻值是固定不变的，我们可根据使用环境和电阻值范围，来选择不同的电阻。

碳膜电阻如图3.24所示。

金属膜电阻如图3.25所示。

线绕电阻如图3.26所示。

熔断电阻如图3.27所示。

水泥电阻如图3.28所示。

排阻如图3.29所示。

贴片电阻如图3.30所示。

可变电阻器的分类如图3.31所示，这些电阻器的电阻值是可变化的，将这类电阻值可以变化的电阻称为电位器。根据机械控制方式，又细分为旋转电位器、直滑式电位器和微调电位器。还有三种是敏感电阻器，其包括：电阻值随着环境光线变化的光敏电阻、随着环境温度变化的热敏电阻、随着承受的压力变化的压敏电阻。

旋转电位器（可变电阻器）如图3.32所示。

直滑式电位器（可变电阻器）如图3.33所示。

微调电位器（可变电阻器）如图3.34所示。

光敏电阻（敏感电阻器）如图3.35所示。

热敏电阻（敏感电阻器）如图3.36所示。

压敏电阻（敏感电阻器）如图3.37所示。