7. 常用電子零件簡介

(上網輸入關鍵詞可尋找更多資料）

製作儀器之常用電子零件包括： a 電阻（固定或可變），b 光敏電阻， c 麵包板，d 線路板/印刷線路板，e 發光二極管（LED），f 集成電路，g 電容，h 電感器，i 變壓器，j 整流子，k 齊納二極管 (zener diode) l 開關，m 繼電器 (relay)，n 插頭和插座。

各同學要自備一台不可缺少的電子儀器 (數字萬用錶)，測試各種零件和電路運作。

a. 電阻（固定或可變）

(i) 固定電阻 (Fixed resistor)

電阻符號：

或

首先瞭解碳膜電阻之色碼。

色碼標示的電阻值其單位為歐姆，Ω。常用碳膜電阻阻值範圍很廣，可由小於 1 Ω 至10 ΜΩ。

色碼	代表數字	倍率
黑(Black)	0	×1
棕(Brown)	1	×10
紅(Red)	2	×100
橙(Orange)	3	×1000
黃(Yellow)	4	×10000
綠(Green)	5	×100000
藍(Blue)	6	×1000000
紫(Violet)	7	×10000000
灰(Gray)	8	×100000000
白(White)	9	×1000000000

色碼	誤差
金(Gold)	± 5 %
銀(Silver)	± 10 %
透明(None)	± 20 %

色碼 A 為其數值的第一位數。

色碼 B 為其數值的第二位數。

色碼 C 為其倍率，棕色為10 倍、紅色為100 倍、橙色為1000 倍，如此類推。

色碼 D 若存在，則其表示數值的誤差範圍，若沒有色碼 D，其誤差範圍為 ±20%。

例如：一個電阻所用的色碼順序為黃, 紫, 紅, 金

第一個數字 4 (黃色), 第二個數字 7 (紫色), 倍率 102 (紅色),

電阻為 4,700 Ω 誤差 ±5% (金色) 因此實際的電阻值在 4,465 Ω 與 4,935 Ω 之間。

(要強記棕、紅、橙、黄、綠、藍、紫、灰、白、黑 10色名稱。記憶有助即時閱讀阻值 )

習作 (2) 測試色碼電阻

物料：數字萬用錶，各款碳阻

電阻	目測阻值 / Ω	功率	誤差	儀錶量度值 / Ω
1
2
3

各類固定電阻：

名稱	碳膜電阻	金屬膜電阻	線阻	水泥電阻
圖樣	(大部份塗上米棕色)	(全部塗上藍色)
常用阻值	數Ω 至10 MΩ	數Ω 至10 MΩ	低於1Ω至 500 ΚΩ	低於1Ω至 100 ΚΩ
常用功率	1/8W至1W	1/8 W 至1W	1/2 W 至10 W	1W 至20W
誤差度	多數為5%	全部1%或更低	5%左右	10%左右

(圖 109) 水泥電阻

電阻控制電流，通過電流時會發熱。電阻主要功用是在電路上依歐姆定律（V= iR）作用。大功率電阻也可當發熱器用。一般水泥電阻功率都大，水泥電阻本身是線阻（圖109），外覆蓋一層陶瓷 (ceramic，不是水泥) 。本身或其線阻都適宜作發熱器用。

(ii) 可變電阻，variable resistor， rheostat（或叫電位器，potentiometer）

可變電阻符號：

或

可變電阻沒有色碼，數值印在電阻上。可變電阻分為 (i) 單圏式碳電阻（圖110），(ii) 單圈式線繞電阻（圖111）和 (iii) 多圏式微調，multi-turn trimpot (圖112）。

(圖 110)

(圖 111)

(圖 112)

(i) 單圈式碳可變電阻 (single-turn carbon potentiometer) (圖 110)

線路最常用之可變電阻。阻值範圍普遍為 500 Ω至 500 ΚΩ。功率低於1W。有些舊式可變電阻連開關，不過現在已不多見，可變電阻和開關都是獨立零件。這類零件需要固定在儀器面板或底板上。

(ii) 單圏式線繞可變電阻 (single-turn wire wound potentiometer) (圖 111)

線繞可變電阻阻值範圍普遍低於1K Ω。體形大些而功率也大過碳可變電阻。固定形式一如碳可變電阻。

(iii) 多圏式微調可變電阻 (multi-turn trimming potentiometer) (圖 112)

用於要求精準阻值之線路。多應用在儀器校正線路。阻值由100Ω 至 100 ΚΩ 不等，有1圈式和多至15圈式。體形細小，要用小型螺絲批調校，需要焊接在線路板上。

習作 (3) 測試各類電阻

b. 光敏電阻 (Light Dependent Resistor, LDR 或俗稱 CdS, (Cadmium Sulphide)

符號：

或

光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導體材料製成的特殊電阻器，其工作原理基於光電效應 (photoelectric effect)。光照愈強，阻值就愈低，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低，室內泛光亮度阻值可小至 2 KΩ 以下。光敏電阻對光線十分敏感，在全黑時，呈極高阻值狀態，可超過20 MΩ。光敏電阻作為光電導探測器在光控開關、照相機、光測量儀等有極廣泛應用。

c. 麵飽板 (Breadboard)

接駁電子零件成為電路組成既可用錫焊接/萬用板方法，也可用較為方便之免焊接方法，使用一件稱麵飽板工具。顧名思義，它外形很像一片方飽，厚度一般有

數毫米。表面佈有很多小孔，各小孔既可橫式連接 Vcc (+) 或 Vee (-)，也可縱式連接 (圖113) 板面中段有一橫槽，方便插入各款 DIP 集成電路，大小零件接腳都

以輕易插入各小孔，能以極短時間完成大部分設計之電路 (圖 114)，起著預先測試線路功能作用，深受消費者歡迎

(圖 113) 麵飽板正面，DIP/ IC槽和縱橫接孔

(圖 114) 接上各式各樣電子零件

d. 線路板 / 印刷線路板 (Circuit board)

線路板没有符號。

當用麵飽板測試線路可行性後，接著便要把各零件焊接。零件與零件之間 (如電阻互接)，不是凌空 (搭棚) 焊接，而是在線路板上焊接。專業儀器如電腦等採用表面貼裝技術（Surface-Mounting Technology，SMT）(圖 115) 優點是令更進一步微型化零件，大大增加零件植入底板密度和減少由焊接引起之雜訊。業餘電子愛好者不具備條件，只能用通孔 (through-hole) 線路板焊接零件 (圖116, 117)。


(圖 115) 表面貼裝技術(電腦主板)	(圖 116) 萬用通孔線 (正/背面)	(圖 117) 零件焊在線路板上

電路 (連零件) 焊接在線路板要經過細心考慮各接點互相之間最合適情況後，才可動手。一般做法不是用 (i) 印刷線路板，就是用 (ii) 萬用線路板。

(i) 通孔印刷線路板 (Thro-hole printed circuit board, PCB)

大量生產一般要用印刷線路板。若只需要10多塊，採用傳統腐蝕法便可。用絲網或移印紙把線路，包括接腳和連線印在專用銅板上 (印刷線路銅板為一薄銅片黏貼於一電木板或纖維板上)。線路細節用油性箱頭筆修補 (圖118)。完成印刷銅板分為遮蓋部份和非遮蓋部份。用濃三價氯化鐵溶液溶解 (氧化還原置換反應) 非遮蓋部份 (圖119)。適當位置鑽小孔容零件接腳插入 (圖120)，最後用錫焊接各接口。(圖121) 為一商用DIY頻率計算器套件，有印刷線路板和一系列零件。


(圖 118) 印刷線路銅板貼於電木或纖維板上。只溶沒有遮蓋部份之銅片。	(圖119) 用濃價氯化鐵溶液溶解沒有遮蓋部份之銅片。氧化置反應：Cu + 2Fe3+ → Cu2+ + 2Fe 2+	(圖120) 完成之 PCB	(圖 121) 商用DIY頻率計算器套件，有印刷線路板和一系列零件

較新方法用感光菲林底片(圖122，123)，多在工業生產方面採用。亦有用感光銅板製作。現時有一更簡單 (Press-n-peel) 薄膜方法 (圖 124)，很適合業餘電子製作愛好者。需要網購，有短片介紹。詳情可上網搜閱。


(圖 121) 菲林底片	(圖 123) 完成之印刷線路板	(圖 124) “Press-n-peel” 技巧

以上方法早已採用逾十年。現今各行各業電腦輔助設計十分流行，PCB設計和生產也不例外。其中網上介紹一個方法，若可下載相關軟件和擁有電腦雕刻機，很值得一試，有短片介紹 (圖 125, 125, 127)。


(圖 125) CAD軟件	(圖 126) 完成之製品	(圖 127) 完成之製品

詳情觀看以下短片：

CAD 軟件製造 PCB

如果只需要數塊線路板，沒有理由化時間用上述繁複工序。以下介紹之萬用通孔線路板便是一個好選擇。 (ii) 萬用通孔線路板 (Thro-hole multi-purpose circuit board) 若製作之線路板數量不多，萬用通孔線路板 (圖128) 是最佳選擇。萬用通孔線路板可在一般專賣電子零件店舖購買，不用自己製作。線路板有很多小孔和連接薄銅條，基本上可以安放各類電子零件。零件位置要靠自己判斷，這方面需要經驗，急不來。


(圖 128) 萬用通孔線路板

習作 (4) (i) 用麵包板測試各款電子零件接法 (ii) 用萬用通孔線路板焊接一8腳 IC座並安裝一顆 LM 358 IC

物料：DMM，麵包板，8腳 DIP IC座，LM 358，電焊工具和物料

e. 發光二極管（Light Emitting Diode, LED） 大功率（> 1W）發光二極管近年發展快速，尤其應用於日常照明 (圖 126)，(可參考網上資料）。市面LED燈可取代熱熾燈或省電燈。一盞 7W LED 燈便如 60W 熱熾燈般光亮。小功率發光二極管（3 mm，5 mm）早已風行電子界多年(圖 128)。發光二極管優點是 (i) 起動電壓和電流都低，就算是超光二極管，一般 3V 電壓，5 mA 電流已可起動，耗電量小，(ii) 工作壽命長，(iii) 體積小，(iv) 超光紅、藍、綠、橙，黃、白色LED現時很容易購買。缺點是 (i) 祇可用直流電，(ii) 自身保險力低，容易超負荷燒燬。小功率發光二極管取代小燈泡 (圖 127) ，作板面指示燈照明用 (圖 129)。另一款受歡迎之LED為7節日字型LED，可顯示數字和英文字母，有共陽極和共陰極兩大類 (圖130)。


(圖 126)	(圖 127)	(圖 128)	(圖 129)	(圖 130) 7節日字形 LED

習作 (5)

(i) 測試兩腳各顏色超光 LED

(ii) 測試共陽極 10 腳 7 節日字形 LED 並顯示 0 至 9 數字

(iii) 思考如何手動連續顯示 0、1、2、3 …9 數字

物料：數字萬用錶，麵包板，3mm 紅、綠和藍超光LED，0.5” 共陽極7節紅色日字形 LED，微型開關，各款接線，3V DC電源。

(一起控制多個手動微型開關有難度，可改用組合微型切換開關 (Dip switches) (圖131)。實體電路採用電子開關。參考主題 9 STEM 和數字電子基礎之電子邏輯閘 (logic gate) 和BCD to 7 segment 章節)


(圖 131) 組合微型切換開關

微型開關 (1示開0示關)							日字形7節LED數字顯示
a	b	c	d	e	f	g	日字形7節LED數字顯示
1	1	1	1	1	1	0	0
0	1	1	0	0	0	0	1
1	1	0	1	1	0	1	2
1	1	1	1	0	0	1	3
0	1	1	0	0	1	1	4
1	0	1	1	0	1	1	5
0	0	1	1	1	1	1	6
1	1	1	0	0	0	0	7
1	1	1	1	1	1	1	8
1	1	1	0	0	1	1	9

(圖 132) 7節LED輸入腳與數字顯示

f. 集成電路 (集成電路，微電路，微晶片) (Integrated Circuit, IC, chip) 圖解集成電路之發展

真空管 (電子管) →
(上世纪10 -70年代)
(现在部份應用於音響電路)

晶體管 (半導體)→
(上世纪50年代至現在)

集成電路 (上世60年代至現在)

集成電路介紹

集成電路（integrated circuit, IC）是一種微型電子器件或部件。採用一定的工藝，把一個電路中所需的電晶體、二極體、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一起，製作在一小塊導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼或特殊物料內。


(圖 133) 計算機 (電腦) CPU，一個極複雜之IC	(圖 134) CPU內部結構

集成電路優點

集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優點。集成電路以矽為基質，成本連工藝經大規模生產後售價可以很便宜，是吸引業餘電子科技愛好者或專業電子工程師採用它作線路設計之誘因。它不僅在工、民用電子設備如智能手機、電視機、電腦 (圖133, 134) 等方面得到廣泛的應用，同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應用。用集成電路來裝配電子設備，其裝配密度比電晶體可提高幾十倍至幾千倍，設備的穩定工作時間也可大大提高。

IC分類

(i) 按功能結構分類：

模擬集成電路 (Analogue IC) 又稱線性電路，運算放大電路 (linear IC，Op-Amp)，用來產生、放大和處理各種模擬訊號（指幅度隨時間變化的訊號。例如半導體收音機的音頻訊號、錄放影機的磁帶訊號等），以放大功用來看，其輸入訊號和輸出訊號成正比例關係，因此叫線性。

數字集成電路 (digital IC) 輸入、產生、放大和處理各種數字訊號（指在時間上和幅度上傳送的 (0 1) 方波脈衝取值訊號或離散的 (0 1) 二進比特訊號) 。例如 3，4，5G 智能手機、數碼相機、電腦 CPU、數字電視等電子產品皆用數字集成電路電子邏輯閘 (electronic logic gates) 處理數字音訊訊號和視訊訊號。數字集成電路重要性超越模擬集成電路，為現今集成電路零件市場之主導者。

(ii) 按製作工藝分類：

集成電路按製作工藝可分為半導體集成電路 (transistor IC) 和膜集成電路 (mono-lithic IC)。膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。

(iii) 按集成度高低分類：

SSIC 小規模集成電路 (Small Scale Integrated circuits)

MSIC 中規模集成電路 (Medium Scale Integrated circuits)

LSIC 大型集成電路 (Large Scale Integrated circuits) etc

(iv) 按導電極類型不同分類：

數字集成電路按導電極可分為雙極型集成電路 (Dual-gate IC) 和單極型集成電路 (Single-gate IC)，都是用來處理數字訊號。雙極型集成電路的製作工藝複雜，功耗較大，代表雙極型集成電路有TTL、LST-TL、STTL等類型。單極型集成電路的製作工藝較簡單，功耗也較低，易於製成大型集成電路，代表單極型集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。

IC用途

軍用IC要求最高，適用於尖端設計，尤其可應付大溫差變化和較好抗雜訊能力。次一級之工業用和民用 IC 則於計算機(電腦)、通訊、手機、相機、TV、音響等領域無孔不入，是應用範圍之主板。

主流IC封装

(i) 雙列直插式封裝，DIP (dual in-line package)。


(圖 135) 14腳DIP 集成電路	(圖 136) 16，14和8腳IC座	(圖 137) LM 358 接腳

IC 引腳從封裝兩側引出，封裝材料有塑膠和陶瓷 (ceramic) 兩種，即 PDIP 和 CerDIP。雙列直插式 IC 要安裝在 IC 座上或直接焊在線路板上。DIP 是最普及的插裝型封裝，業餘電子技術愛好者最樂意用。大部份運算放大器 (Op-Amp) 都是 DIP 封裝的，例如 LM 358，μA 741等。

(ii) TO – 220封

“TO” 代表 “ 晶體管大綱，(Transistor Outline)”


(圖 138) TO-220封裝的前視圖	(圖 139) O-220封裝的後視圖	(圖 140) Motorola LM 317

常用之TO – 220 封裝IC有三隻接腳：1，2 和 3 (圖138, 139, 140)。TO – 220 封裝A notable characteristic is a metal tab with a hole, used in mounting the case to a . Components made in TO-220 packages can dissipate more heat than those constructed in cases.一個顯著特點是背部有一塊有孔之厚金屬片，方便安裝散熱片。一般中功率穩壓器都以 TO – 220 封裝。例子有 LM 317, 7805, 7905等。

常用集成電路符號

名稱	符號
運算放大器 (Op-Amp)
穩壓器 (Regulator)
CMOS
TTL
CMOS和 TTL符號相同，分別在其編號，CMOS以 4XXX四位標示，而TTL則用74XX

儀器製作常用之集成電路

現在儀器電子電路多不用基於獨立晶體管之設計，一般都用集成電路。線路設計採用集成電路之優點：

* 高輸入阻抗、少噪音、低耗電率、非常廉價。

* 一顆 IC 內置數十或上百枚各類晶體管。

* 各類 IC 可以（黑箱作業），只要知道輸入和輸出之要求便可設計線路，不需理會各組合部位間之耦合原理。

* 一般 IC 都內置短路保護線路。

* 不像晶體管，各類 IC 都有獨特自身用途。

Dual Op-Amp LM 358 內部結構 (每顆 LM 358 有兩組同一樣之組合) ：


(圖141) LM 358其中一組內部結構	(圖142) 兩組 Op Amp LM 358 接腳

(圖143) LM 358 電參數表

軍用: LM 158 (-55oC 至 +125oC)

工業用: LM 258 (-25oC 至 +85oC)

民用: LM 358 (0oC 至 + 70oC)

專業線路設計要求依 IC 之電參數 (圖142) 考慮和詳細計算每一部份線路之輸入/輸出要求。不過業餘電子技術愛好者通常不作詳細計算而只用電錶測試電路各部份歐姆參數 (即電壓，電流和電阻) ，要求高一點則使用示波器 (oscilloscope) 以反覆試驗方法 (trial-and-error) 完成線路設計。器電路設計常採用穩壓器 7805、LM 317，計時器555，運算放大器 LM 358、LM 741，起振器 CMOS 4049，10點/條LED顯示驅動器LM 3914，7 節日字型 LED 驅動器 TTL 7448 或 CMOS CD 4511等。

g. 電容器 (Capacitor, condenser)

顧名思義，電容器用來儲蓄電荷。電容器是兩金屬板之間存在絕緣介質的一種電路元件。其單位為法拉第 (Faraday)，符號為F。電容器利用兩個導體之間的電場來儲存能量。導體兩面所帶的電荷大小相等，但符號相反。

直流電不可通過電容，但交流電則可。

(圖144) 電子科技用之各類電容器

電容器符號：

電解電容

無極性電容

可變電容

電容器工作原理和容量

電容器的電容(C)是測量當電容器兩端的電位差或電壓(V) 為單位值時，儲存在電容器電極的電荷量(Q)：

若根據國際單位制，若一電容器兩極施加一伏特的電壓，其儲存電荷量為一庫侖，則此電容器的電容量為一法拉第（Faraday, F）。在實務上，法拉第是相當大的單位。

電容器的電容量一般常以毫法拉第 (mF, 1mF = 10-3 F)、

微法拉第 (µF, 1µF = 10-6 F)、納法拉第 (nF, 1nF = 10-9 F)

或皮法拉第 (pF, 1pF = 10-12 F) 表示。

識別電容器

色碼並不流行，數值多直接印在電容器上。

類別	圖樣	常用容量 / 標示	極性 / 特性 / 耐壓	用途/注意
電解質電容		1–5000 µF	有正負極接腳 / 6 – 400 V DC	* 整流後濾波 * 儲電器 * 合理價錢
陶瓷電容		1 pF – 1µF 號碼104表示其容值為10×10⁴pF =100,000 pF = 100 nF = 0.1 µF	無極性 / 可於高電壓下運作( ~1000 VDC)	* 耦合電路 * 振盪電路 * 平價零件
塑膠薄膜電容		1 pF – µF	無極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優異(頻率響應寬廣)。依塑膠材質的不同，可再細分為：聚乙酯電容（Mylar Film）、聚苯乙烯（Polystyrene Film）、聚丙烯（Polypropylene Film）、聚碳酸脂（Polycarbonate Film）四種。	* 多用在高要求模擬電路 * 價錢稍昂
鉭質電容		1 pF – 1µF	無極性，耐高電壓。功能與陶瓷電容類似，用於在電器中儲存能量；差別在於使用的材料為稀有金屬鉭，容質更高、特性也更佳，且體積可縮小化。	*用於手機、USB裝置等，在資料傳輸裝置上若用鉭質電容，傳輸的效率會更佳

習作

(5) 測試電容器

物料：指針式萬用錶，各款1 – 2000 µF 電解電容器

簡單測試電解容器

電容器不通直流電。若電容器通電便說明它已經損毀了(行內人說電容穿了) 。電解電容較其他電容容易測試。

方法是：

選擇 指針AVO電錶 之測試電阻檔為 x100。反覆把正負測試棒接電解電容 (>10 μF) 兩端 (不用分辨正負極)。若電解電容正常，指針會上升，跟着快速下降至零歐姆。如果指針不回落，這顆電容是損毀了，穿了。

電容器在電子電路應用

電容器可以阻隔直流。如果將一個較小的電容器連接到電池上，則在電容器充電完成後（電容器容量較小時，瞬間即可完成充電過程），電池的兩極間將不再有電流通過。然而，任何交流電流 (AC) 信號都可以暢通無阻地流過電容器。其原因是隨著交流電流的波動，電容器不斷地充放電，功能像一件脈衝媒介令電流不停振動，結果電流由電容器一極流向另一極。

(i) 濾波電容 – 如果傳導直流電壓的線路含有脈動或尖峰，可以用大容量電容通過吸收波峰和填充波谷消除脈動，使電壓變得平穩。這種電容器叫濾波電容，應用在交流電整流後，要有大容量之電解質濾波電容才可把半波(拉直)。

交流電轉變為直流電 (半波整流)線路:


(圖 145) 半波整流後波形	(圖 146) 濾波後波形

(ii)振盪器電容

電容在電子電路另一更重要用途是組成振盪器，產生函數波形訊號。現今電子計算機 (電腦) 基本原理，不論複雜與否，都源自一個電子開關機制 (electronic ON/OFF switch) 和一個產生時間變量之波形訊號鏈 (square wave propagating signal) 。以下是一個典型之Op-Amp振盪器，弛張方形波振盪器 (relaxation oscillator)，產生方形脈衝鏈串。除提供波幅外，最重要作用是產生時基或稱作時鐘 (clock)。

(圖 147) 弛張方形波振盪器

設以上線路之 R = 1.5 ΚΩ ，C = 0.1 μF，電路產生如右面之方波訊號鏈，其頻率為

時基為每週3030-1 秒或 3.3 x 10-4 秒。時基多以頻率 (Hz，周波數) 表達。

主題 8.3 (實用模擬電路之線性運算放大器應用線路）有較詳細介紹弛張振盪線路之 原理和應用。

h. 電感器 (Inductor)

電感器也叫線圈 (coil)。電感器分為 (i) 空氣芯式和 (ii) 鐵芯/鐵氧體式兩大類。


(圖 148) 空氣芯式線圈	(圖 149) 鐵氧體Ferrite芯式線圈	(圖 150) 鐵芯式，常稱作火牛，即變壓器

符號:

(空氣芯)

(鐵氧體Ferrite芯)

電流通過一圈一圈的導線 (即線圈)，除了受到限制外，也產生磁場。線圈和電阻不同之處就在這點。使用線圈時，不要簡單地看它是個電阻，重要的是知道由它產生之磁場的複雜情況，尤其是通過交流電。直流電和電感器

小學時我常做的一個科學實驗：把電線一圈一圈地繞在一鐵釘上。電線兩端接一1.5 V電池。把組合靠近另一鐵釘。會有什麼發現？



(圖 151) 電磁效應		(圖 151) 磁通量和磁極

直流電通過電導線產生磁電效應 (electromagnetic effect) 建立磁力線。磁力線

(或磁通量) 分佈跟随 (右手定則，right hand screw rule) (圖 151，左圖)。若電導線繞成圓圈形，磁力線叠加成南北極磁場 (圖 151，右圖)，(圖 152)。這情況下線圈稱作電感器。因為涉及電磁公式計算，磁力線指示方向很重要。國際通用規則磁力線箭咀指示方向是由磁北極到磁南極 (圖 152)。同樣地，電場分佈之電力線由(+) 極指向 (-) 極。電感器磁場從無到有需要時差。當磁場上升，即變動時，電感器自身受其作用產生電動勢 (法拉第定律)。這現象叫自感 (self-induction) ，這個電動勢總是阻礙導體中原來電流的變化，降低缐圈兩端電壓。因此這個電動勢叫返電動勢 (back e.m.f.)。情況重複變化，直至平衡 (steady state)。這時電流和磁場都穩定下來。但直流電通過電感器作用如通過電阻，把電路短路 (short circuit)，產生磁場時也同一時間產生熱能，引起需要散熱之問題。

電感器在醫療儀器應用方面主要有核磁共振成像技術 (MRI，Nuclear Magnetic Resonance Imaging) ，清晰切片成像造影人體內部器官，為診断症狀非常有用醫療儀器。MRI儀器之電感器採用低溫 (液化氦) 和超導物料 (零電阻) 製造。MRI 需要極強電磁場，若 MRI 之電感器有電阻，強大電流會產生難以冷卻之熱量 (圖153, 154) 。


(圖153) 核磁共振成像儀	(圖154) 頭頂部 MRI造影

電子製作用之電感器可以說全部不用直流電。上世紀電台廣播年代之收音機是用空氣芯電感器 (線圈) 作高頻無線電波耦合 (resonance coupling) 選擇電台。鐵芯電感器則多用於變壓器 (transformer)，把交流電源電壓提升或降低。

由於電感器產生返電動勢，電感器之電阻與電阻之電阻不一樣。電感器之電阻有一個專有名稱，叫阻抗 (impedance)，符號為Z。不像 Ω, Z 為複數 (complex number)。中學理科課程不包括阻抗主題。很多時我們把阻抗/電阻一并互用，不代表電阻帶有電感，只有電感器才有電感。

超導物料和MRI儀器

現時MRI儀器都採用低溫 (液態氦) 超導物料通過强大電流達至要求之磁通量。若用相同工藝技術設計室溫超導物料恐怕不會有成功的一天。人們注意力轉向重生發現碳元素同素異形物石墨之單層結構，或叫石墨烯 (graphene)。兩位科學家成功分離石墨烯單層基質並獲得2010物理學諾貝爾獎。石墨烯和衍生產品有極特殊導電能力，可以預見不久將來此類物料會製成穩定室溫近超導物料，用來組裝 MRI 儀器。

交流電和電感器

交流電通過電感器和直流電通過電感器情況截然不同。交流電通過絕緣漆皮銅線 (enamel coated copper wire) 線圈建立持續變動磁場，磁通量 (magnetic flux 或磁力線密度) 可整體穿過鐵芯。鐵芯由一組叠加矽鋼片構成封閉口形狀，不是一整塊鋼製品 (圖 155)，目的為減少渦電流 (eddy current) 和磁滯 (hysteresis) 建立。有初級線圈和次級線圈兩組 (圖 156) 。初級線圈產生之磁力線全部經鐵芯通道感應次級線圈，生成次級電壓。交流電電感器主要用途為改變電壓。低頻交流電 (AC 50 Hz) 變壓裝置叫電源變壓器 (transformer)，俗語叫「火牛」(圖 157) 。


(圖 155) 圖解變壓器	(圖156) 符號	(圖 157) 電源變壓器

交流電源通過初級線圈引發之磁場，經全封閉鐵芯，感應次級線圈，產生另一電壓。次級線圈輸出之電壓可升可降，視乎圈數多寡。

沒有次級線圈之電感器叫扼流圈 (choke) (圖 158)，作用扼制高頻交流電流，讓低頻和直流通過。扼流圈多用於整流後濾波電路 (圖 159)，效果比單一電容更佳 (回顧45頁之半波整流線路)。


(圖 158) 扼流圈，只有初級線圈一組。	(圖 159) 雙電容/扼流圈組合起更好濾波作用。

i. 變壓器 (Transformer)

變壓器有電子變壓器 (照明用, 圖 160) 和鐵芯變壓器 (電子製作電源, 圖161) 兩大類。


(圖 160 ) 電子變壓器 (電子火牛)	(圖 161) 電源鐵芯變壓器

變壓器只可使用交流電。

電子製作常用之鐵芯變壓器有兩種：

(i) 降電壓變壓器 (step-down transformer)

符號:

這種變壓器主要用途是把交流市電源轉為低壓電源。通常伴以整流電路，變為低壓直流電，供電路用。輸入端線圈稱初級 (primary)，輸出端線圈稱次級 (secondary)。圖 155之變壓器只供教學用。實用變壓器之初級線圈和次級線圈初/次地分別繞在同一空心圓柱形管子上。完成之總線圈卷套上旋轉90o E形矽鋼片，叠加為一鐵芯 (圖162)。初級線圈接輸入電源，次級線圈輸出低壓。市電電源 (220V AC) 經變壓器變為低壓 AC，例如 6V, 12 V, 24V 等。這些變壓器輸出端有三腳，中間腳接地。例如12V x 2 變壓器 (圖 163) 可提供兩組 0V/12V 或單組0V/24V 輸出AC電壓。

絕大部分民用電子器材都以低壓 AC 作電源，通常其整流電路和主電路組成一體，看似器材可以直接用市電源 (如電視機、叉電器等)，其實主電路是不會為 220V 高壓市電而設計，一般都是不超過50V DC。

自耦變壓器 (variac，圖164) 為一類大功率商用升/ 降變壓器。只有初級，沒有次級線圈。


(圖162) 變壓器構造	(圖163) 12V x 2變壓器	(圖164) 自耦變壓器 (variac)，降/稍升電源電壓。大功率。只有初級，沒有次級線圈。

現時電子管擴音機復古再流行 (圖 166)，以現今之數字電子技術配合純模擬訊號運作之電子管 (真空管)，合成優質音色音響。這類擴音機後級採用之功率放大電子管如EL34 (6L6), EL 84 (6BQ5) 等要靠輸出變壓器 (output transformer，圖165) ，把功率放大電子管輸出端之高阻抗、高電壓變為低電壓、低阻抗輸出。音響輸出變壓器是另一種降電壓變壓器，功能是匹配一般揚聲器之低阻抗輸入要求去驅動揚聲器。


(圖 165) 鐵芯輸出變壓器	(圖 166) 輸出變壓器和真空管電子製作 (昔日HiFi擴音機)

(ii)升電壓變壓器 (step-up transformer)

符號:

升電壓變壓器輸入端初級線圈圈數較次級線圈圈數為少，導致次級 AC 電壓高於輸入 AC 電壓。昔日真空管收音機流行年代，升壓變壓器很受業餘電子愛好者歡迎。因為真空管之屏極需要在高壓 (~250V DC) 下運作，有必要把市電電源提升再整流為高壓直流。現時之電子產品，小型的多用電池，大型的一般所需電源都較市電為低，不會高過 DC 50V，因此要用降壓變壓器而不是升壓變壓器。

顯示 (3)：用變壓器把市電 220 V AC 降低至12 V AC

鐵芯變壓器所用之鐵芯為多層優質矽鋼片。鋼片舆鋼片之間絕緣，減少產生環迴電流 (eddy current) ，令能量轉化成熱，輻射流失。通常在電子零件店舖按線路要求整個變壓器購買，不用自己製作。現時可選購之電源鐵芯變壓器不僅便宜，質量也非常高。

j. 整流器 (Rectifier)

整流要用二極管。二極管不單可把交流電轉為直流電，即整流，也可檢波，把無線電波 (調幅 AM 或調頻 FM) 轉為音頻聲波。二極管工作原理是只容許一個方向電流 (順向)，不容許反方向電流 (逆向)。二極管陽極接上電池正極，陰陽極接上電池負極可通電。但反轉電極便不會通電。無線電檢波時，二極管容許正半週電波通過，但刪除負半週電波，再重整為音波。

整流是將交流電轉換成直流電。電子製作常用之整流器可分為 (i) 半波整流用之二極管 (single diode) 和 (ii) 全波整流用之橋式整流二極管 (bridge rectifying diodes) (圖 167)。

二極管 (半波整流器)

穚式整流二極管 (全波整流器)

圖樣

1N34二極管

符號

(圖167) 半波和全波整流子

半波整流 (half-wave rectification)

在半波整流器中，交流波形的正半週或負半週其中之一會被消除。只有一半的輸入波形會形成輸出，電壓減半，對於功率轉換是相當沒有效率的。

(圖168) 半波整流

全波橋式二極管整流 (Full-wave bridge rectification)

需使用四個二極體才能做全波整流。與半波整流比校，功率轉換有所提高。

(圖169) 全波整流

顯示 (4)：用示波器顯示市電220 V AC50 Hz正弦波形 (圖170)， 4.5 V AC 50 Hz半波 (圖171) 和 7.5 V AC 100 Hz 全波 (圖172) 整流後之波形


(圖 170) 市電220 V正弦波	(圖 171) 低壓半波整流	(圖 172) 低壓全波整流

檢波二極管 (diode detector)

上世紀早期 (20 – 70年代)，普遍用模擬調幅 (AM，amplitude modulation) 方法傳播無線電波。一般收音機操作方法是從天線接收AM無線電波，通過調諧 (選擇電台)、檢波(關鍵作用)、和放大三級電路把無線電波轉為可聽音頻。

最簡單的調諧和檢波電路是一台所謂礦石收音機（crystal radio）(圖 173)：

(圖173) 礦石收音機線路

上圖之線圈 (L1) 和可變電容 (C1) 組成一個調諧電路 (resonance circuit) 。調諧電路功能是透過調校C1，選擇從天線接收到的多個無線電波電台頻率。

礦石收音機

收音機調諧器接收的頻率 (f) 是電感(L)和電容(C)的函數，其公式如下：

此頻率是 L1 和 C1 並聯電路的共振頻率 (resonance frequency) 。代入L (電感) 和 C (電容) 數據便可計算共振頻率。此共振頻率就是電台頻率。例如早期香港電台第一台頻率是 AM 640 千赫 (KHz，Kilo-Hertz) 。

模擬調幅廣播 (AM broadcasting，AM：Amplitude Modulation) 和二極管檢波

(i) 拾音器 (microphone) 把聲音，即聲波，轉為音頻訊號 (audio signal) 。

(ii) 發射台產生載波 (carrier wave) ，例如以前港台之 640 KHz 中波。

(iii) 載波和音頻組成對稱調幅無線電波 (調幅指載波波幅被音頻調校)。

(iv) 電台發射 AM 640 KHz 調幅無線電波 (中波)。

(v) 收音機通過天線接收無線電波，再用 L/C 共振線路選擇電台頻率。

(vi) 二極管 (D) 檢波。類似整流，二極管把負半週波形刪除。1N34是最普及之檢波二極管。

(vii) 還原音頻訊號，聽筒 E 發聲。

自製真空管收音機

模擬調頻廣播 (FM broadcasting，FM：Frequency Modulation)

調幅廣播現在已被調頻廣播取代。顧名思義，調頻是調校載波頻率，不是波幅。調頻廣播優點是音質較調幅廣播大為改善，缺點是傳播距離較短。再者，調幅或調頻模擬發射又漸被數碼發射取代，發射和接受原理基本不同。

古董收音機零件


(圖 174) 蜂房式線圈	(圖 175) 調校電台可變電容	(圖 176)單管再生式收音機

k. 齊納二極管 (zener diode)

符號:

如果二極管逆向偏壓很大時，會發生崩潰 (擊穿) 現象. 二極管因過量電流發熱而遭燒燬。不過也發現崩潰時二極管兩端電壓只有些少變動 (圖177)。這發現導致製造另一類只在這區域運作之二極管，稱作齊納二極管 (Zener diode)，於1934首次應用，更冠以發明者克拉倫斯·梅爾文·齊納 (Clarence Melvin Zener) 為名。總而言之，齊納二極管為一種精準穩定電壓於小範圍內之電子零件，可作為電壓參考或穩壓器。

(圖177) 二極管崩潰現象

齊納二極管電壓工作範圍既廣也窄。可於2.4V至200 V提供穩壓作用，也有各種微少差別輸出電壓之齊納二極管可供選擇，如3.3 V, 3.6 V, 3.9 V, 4.3 V, 4.7 V 等, (圖178)。一般齊納二極管功耗為100 mW。於電路工作時齊納二極管之逆向電流其實是電路正極向負極之常規電流方向。由於可被擊穿原因，電流要受控制。方法是齊納二極管串連一電阻RS (圖179)。因IS = IZ + IL，流向負荷之電流IL與IZ 分享，所以齊納二極管不是電源穩壓一個好選擇。它一般用於線路某一部份，提供精準穩定之電位差。


(圖177) 齊納二極管之電參數	(圖 179) 納二極管穩壓線

穩定電壓是電字電路一個非重要之概念 (主題 8.3) 。現時之穩壓零件既有齊納二極管，也有較流行之穩壓 IC。穩壓 IC不單有正負電壓型號選擇，工作電流大，有可供選擇 100 mA, 1 A 和1.5 A 型號，還有可控制輸出電壓型號。價錢不比齊納二極管貴很多。穩壓IC內置多個齊納二極管，線路複雜，包括短路保險設計，工作穩定。用穩壓IC穩定電源電壓效果較用齊納二極管更佳。

l. 開關 (Switch)

電子製作常用以下三類開關：

(1) 切換開關 (Toggle switch)

符號: