你的第一件儀器
你已經在麵包板上做好電路並通電了——但你怎麼知道它真的在做你以為的事?你需要一雙眼睛。三用電表就是那件不可或缺的工具:一個盒子回答三個問題——這裡的電壓是多少、到底有沒有電流在流、還有這條線是不是真的接上了?
現在幾乎每一台都是有數字顯示與旋鈕的數位三用電表,旋鈕用來選功能與量程。自動量程的機種會幫你挑量程;手動的在你已經知道大概數值時更快。把黑色探棒插進 COM 孔、紅色探棒插進電壓/電阻孔——這就是多數量測的預設接法。
有一件事每個新手都會踩雷:三用電表不是被動地讀個數字——你怎麼接它,會改變電路本身。三種量測各有一條接線規則,搞錯就是讓電表(和零件)報銷的原因:電壓並聯量、電流串聯量、電阻只在斷電時量。
量電壓:並聯,跨接兩點
電壓永遠只存在於兩點之間——就像水壓要在管子上的兩個接點之間量。所以要並聯量:讓電路保持通電,紅探棒碰一個節點、黑探棒碰另一個,讀出差值。養成習慣把黑探棒放在接地、紅探棒放到你好奇的地方,這樣每個讀數都共用同一個參考點。
電壓表幾乎不擾動電路,因為它有很高的輸入電阻——通常 10 Mohm——所以只吸取極小的電流。拿先前的分壓器來看:9 V 上接 10 k、下接 5 k,中點電壓是 9 times 5/(10+5) = 3.0 V。電表的 10 Mohm 與那顆 5 k 並聯,吸取不到一微安,讀出忠實的 3.00 V。但「幾乎」不等於「零」:如果那個分壓器改用 10 Mohm 與 5 Mohm 的電阻,電表的 10 Mohm 就會把讀數拉到遠低於 3 V——這種失真就是負載效應,你的電表悄悄變成了電路的一部分。
+9 V
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[ R1 = 10k ]
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+------o red probe -> reads ~3.00 V
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[ R2 = 5k ]
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GND -----o black probe
Vmid = 9 x 5/(10+5) = 3.00 V
meter draws < 1 uA, so the reading stays true量電流:把迴路斷開
電流就是流動本身,所以電表必須待在路徑上、讓全部的電流都從它流過——就像把管子剪斷、接進一個流量計。這表示你要在某一點把迴路斷開、把電表串聯進去,而且要先把紅探棒移到專用的 A(或 mA)孔。這是最麻煩的一種量測,因為你得把電路實際打開。
想想上一篇你算過的發光二極體電路:5 V 電源、LED 壓降約 2 V、一顆 300 ohm 電阻,所以電流應該是 (5 - 2)/300 = 0.01 A,也就是 10 mA。要驗證它,先斷電、把電阻與 LED 之間的線拔掉、把電表切到 mA、用探棒接上那個缺口、再通電——顯示值應該穩定在 10 mA 附近。這正是量電流的意思:你自己成了這條鏈上的一環。
量電阻與導通
切到電阻檔時,電表反過來做事:它從探棒送出自己一個已知的小電流、量出造成的電壓,再用歐姆定律倒推、把電阻顯示出來。正因為電流是它自己供應的,規則就很絕對——一定要斷電量,最好還把零件從電路上拆下來。任何殘留的電壓都會弄亂讀數或傷到電表,而電路裡仍連著的並聯路徑,會讓一顆電阻讀出比真值更低的數字。
導通測試是同一個電路加上蜂鳴器:當兩探棒之間的電阻很低(通常在幾十歐姆以內)時,電表就會嗶一聲。它是麵包板上最快的除錯工具——那條跳線真的有插到正確的孔嗎?電源軌從頭到尾都連通嗎?兩條軌之間有沒有不小心短路?只要記得:一聲嗶代表「電阻很低」,不代表「夠粗、能扛真正的電流」。
保持安全
先講好消息:9 V 電池或 5 V 桌上電源電不到你——在這種電壓下,你乾燥皮膚的電阻會把電流壓到小到無害。真正的居家工作檯危險另有其物。短路會傾洩出巨大的電流:一枚硬幣、或一滑而過的探棒搭上鋰電池,就能熔化金屬、引發火災。發熱也會燙傷——超過功率額定的電阻,或攝氏 350 度的烙鐵。還有東西會飛:剪下的線頭與噴濺的焊錫,正是要戴護目鏡的原因。
用電安全真正的起點在牆上的插座。任何插進市電的東西——以及變壓器的初級側——都帶著足以讓你心臟停跳的電壓,所以身為新手,你就是不要去測量帶電的市電。萬一非得在通電狀態下作業,把一隻手插進口袋,讓電流絕不可能橫越你的胸膛。還要小心大電容器:電源供應器或相機閃光燈裡的那些,拔掉插頭很久之後仍儲著危險的電荷,所以碰它之前要先用電阻把它放電。
你的第一次量測,一步一步來
我們把三種量測一次用在上一篇的那個 LED 電路上。注意各段電壓必須加得起來——LED 上的壓降加上電阻上的壓降,等於電源電壓——這就是你第一次嚐到迴路定律的味道,而接下來的直流篇會把它講得更精確。
- 斷電。黑探棒插 COM、紅探棒插電壓/電阻孔,旋鈕切到直流電壓檔,先把板子看過一遍有沒有明顯的短路。
- 通電,跨接電源軌量——應該讀到約 5 V。若不是,問題出在電源或它的接線上,根本還沒進到電路裡。
- 跨接 LED 量(約略是它 2 V 的順向壓降),再跨接電阻量(約略是剩下的 3 V)。確認這兩段加起來回到 5 V 的電源電壓。
- 要量電流時,先斷電,把紅探棒移到 mA 孔、旋鈕切到 mA、在某一點把迴路斷開並插入電表,再通電——預期約 10 mA。
- 結束:斷電,並立刻把紅探棒移回電壓/電阻孔,這樣電表就不會被留成一條隨時會發生的短路。