电子电路的基础知识：有源器件和无源器件以及放大器的基本概念

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电路是导线和其他器件的连接，由此发生均匀的电子流动。电子电路为电路增加了新的维度，因为某些控制手段是通过把另一电信号（电压或电流）施加在电子流上。

就其本身而言，电子流的控制对电路学生来说并不是什么新鲜事。开关控制电子流动，电位计也是如此，特别是当作为可变电阻器（变阻器）连接时。在您的研究中，开关和电位计都不应该是您的新体验。然后，标记从电子到电子的转变的阈值由如何控制电子流而不是电路中是否存在任何形式的控制来定义。开关和变阻器根据机械装置的定位来控制电子的流动，机械装置由电路外部的一些物理力驱动。然而，在电子学中，我们正在处理能够根据另一个电子流，或者通过施加静电电压来控制电子流动的特殊装置。换句话说，在电子电路中，电子能够控制电电子。

现代电子时代的历史先驱是托马斯爱迪生于1880年发明电白炽灯时开启的。爱迪生发现，一小段电流从加热的灯丝传递到安装在真空外壳内的金属板上。 （如下图（a））今天这被称为“爱迪生效应”。请注意，电池仅用于加热灯丝。如果使用非电热源，电子仍然会流动。

（a）爱迪生效应，（b）弗莱明阀门或真空二极管，（c）DeForest audion三极管真空管放大

上图：（a）爱迪生效应，（b）弗莱明阀门或真空二极管，（c）DeForest audion三极管真空管放大器。

到1904年，Marconi无线公司顾问John Flemming发现，外部施加的电流（平板电池）仅从一个方向从灯丝传递到另一个板（图（b）），但不是反向（未示出）。本发明是真空二极管，用于将交流电转换为DC。 Lee DeForest添加第三个电极（上图（c））允许一个小信号控制从灯丝到板的较大电子流。

从历史上看，电子时代始于Audion管的发明，Audion管是一种通过在管内的两个金属结构之间施加小电压来控制电子流通过真空的流动的装置。本卷的最后一章提供了所谓电子管或真空管技术的更详细摘要，供有兴趣的人使用。

随着晶体管的发明，电子技术在1948年经历了一场革命。这种微型设备实现了与Audion管大致相同的效果，但空间极小，材料更少。晶体管控制电子流过固体半导体物质而不是通过真空，因此晶体管技术通常被称为固态电子器件。

有源器件是能够通过电控制电子流（电控制电）的任何类型的电路元件。为了使电路适当地称为电子电路，它必须包含至少一个有源器件。不能通过另一电信号控制电流的元件称为无源器件。电阻器，电容器，电感器，变压器甚至二极管都被认为是无源器件。有源器件包括但不限于真空管，晶体管，可控硅整流器（SCR）和TRIAC。可以将饱和电抗器定义为有源器件，因为它能够用DC电流控制AC电流，但我从未听说过这种情况。这些有源设备的操作将在本卷的后续章节中进行探讨。

所有有源器件都控制着电子通过它们的流动。一些有源器件允许电压控制该电流，而其他有源器件允许另一电流来完成这项工作。毫无疑问，利用静电压作为控制信号的装置称为电压控制装置。在一个电流控制另一个电流的原理上工作的设备被称为电流控制设备。为了记录，真空管是电压控制器件，而晶体管是电压控制或电流控制类型的器件。历史上成功演示的第一种晶体管是电流控制的器件。

有源器件的实际好处是它们的放大功能。无论所讨论的装置是电压控制的还是电流控制的，控制信号所需的功率量通常远小于受控电流中可用的功率量。换句话说，有源设备不仅允许电力控制电力;它允许少量电力来控制大量电力。

由于控制和受控功率之间的这种差异，可以采用有源设备来通过施加少量功率（控制）来控制大量功率（受控）。这种行为称为放大。

物理学的一个基本规则是既不能创造也不能破坏能量。正式说明，这条规则被称为能量守恒定律，迄今为止没有发现任何例外情况。如果这个定律是正确的 - 并且大量的实验数据表明它是正确的 - 那么就不可能建造一种能够吸收少量能量并将其神奇地转化为大量能量的装置。包括所有机器，电气和电子电路，效率上限为100％。最好的状态是输出功率等于输入功率，如下图所示：

图、机器的输出功率可以接近但不超过100％效率的功率输入作为上限。

通常，机器甚至不能满足这个限制，以热量的形式损失一些输入能量，这些能量辐射到周围空间，因此不是输出能量流的一部分 （如下图所示）：

图、一台真实的机器在将输入能量转换为输出能量流的过程中，通常也会将一些输入能量作为热量输出。

很多人都试图设计和制造比输入功率更大的机器，但没有成功。这样的永动机不仅证明能量守恒定律毕竟不是定理，而且它会引入 世界上从未见过的技术革命，因为它可以在一个循环的循环中为自己提供动力，伴随着一些“免费”地产生过剩的其它能量。 （如下图所示）：

假设的“永动机”能为自己提供能量吗？

尽管有许多努力和许多不择手段地想实现“自由能量”或实现过度统一的机器，但没有人通过简单的测试，用自己的能量输出来为自己供电，并产生剩余的能量。

然而，确实存在一类称为放大器的机器，它们能够接收小功率信号并输出​​功率更大的信号。理解放大器如何存在而不违反能量守恒定律的关键在于有源器件的行为。

因为有源设备具有以少量电力控制大量电力的能力，所以它们可以布置在电路中，以便从由外部电源提供的更大量的电力资源中复制输入信号电力的形式。结果是一种器件似乎神奇地将小电信号（通常是交流电压波形）的功率放大为更大幅度的相同形状的波形。不违反能量守恒定律，因为额外的功率是由外部电源供电，通常是直流电池或等效电源。放大器既不会产生也不会破坏能量，而只是将其重新整形为所需的波形，如下图所示。

图、虽然放大器可以将小输入信号缩放到大输出，但其能量源是外部电源。

换句话说，采用有源器件的电流控制行为将来自外部电源的DC功率整形为与输入信号相同的波形，产生类似形状但不同（更大）功率幅度的输出信号。放大器内的晶体管或其他有源器件仅仅由电池或其他电源提供的“原始”DC电源形成输入信号波形的较大副本。

与所有机器一样，放大器的效率有限，最高可达100％。通常，电子放大器的效率远低于此值，它们以废热的形式耗散大量能量。因为放大器的效率总是100％或更低，所以永远不能使其成为“永动”装置。

对于所有类型的放大器（电气和非电气），外部电源的要求是通用的。非电放大系统的一个常见例子是汽车中的动力转向，在转动方向盘以移动汽车的前轮时放大驾驶员手臂的动力。放大所需的功率源来自发动机。控制驾驶员的“输入信号”的主动装置是液压阀，其将来自连接到发动机的泵的流体动力切换到辅助车轮运动的液压活塞。如果发动机停止运转，则放大系统无法放大驾驶员的手臂动力，汽车变得非常难以转动。