硬件電路設計(基本元器件)

一、電阻

1.電阻的基本概念

電阻是導體對電流阻礙作用的物理量,符號為R,單位為歐姆(Ω)。電阻的大小由導體的材料、長度、橫截面積和溫度共同決定。

電阻公式

導體的電阻R可通過以下公式計算:

  • ρ:電阻率(材料特性,單位Ω·m)
  • l:導體長度(單位m)
  • A:導體橫截面積(單位m2)

2.電阻的分類

2.1 固定電阻

????????碳膜電阻:成本低,精度一般,用于普通電路

????????金屬膜電阻:精度高,溫度穩定性好,適用于精密儀器。

????????線繞電阻:功率大,耐高溫,用于大電流場合。

2.2 可變電阻

????????電位器:阻值可手動調節,用于音量控制等。

????????熱敏電阻:阻值隨溫度變化,分為PTC(正溫度系數)和NTC(負溫度系數)。

????????光敏電阻:阻值隨光照強度變化,用于光控電路。

3.電阻的連接方式

串聯電阻

總阻值為各電阻之和:
R_總?= R_1 + R_2 + ...?+ R_n?

并聯電阻

總阻值的倒數為各電阻倒數之和:
1/R_總?= 1/R_1?+ 1/R_2?+ ...?+ 1/R_n

4. 電阻的色環標識

通過色環顏色和位置表示阻值與精度,常見4環或5環標注:

  • 4環電阻:前兩環為有效數字,第三環為倍乘,第四環為誤差。
  • 5環電阻:前三環為有效數字,第四環為倍乘,第五環為誤差。

色環顏色對應表:

對照阻值表計算阻值:

(1) 3位讀數:前2位為有效數字,第3位表示10的n次冪(也可以理解為0的個數)。

精度為±5%

(2) 4位讀數:前3位為有效數字,第4位表示10的n次冪(也可以理解為0的個數)。讀法和3位的原理一樣,精度為±1%

(3) 阻值小于10的讀數:通常在兩個數之間插入一個字母R,用字母R來代替小數點。

二、電容

1.電容的基本概念

電容是電子元件中存儲電荷的能力,單位為法拉(F)。由兩個導體及其間的絕緣介質構成,公式為:C = Q/U
其中C為電容,Q為存儲電荷量,U為導體間電壓。

2.電容的類型

固定電容:如陶瓷電容、電解電容(分極性)、薄膜電容。
可變電容:如調諧電容,常用于射頻電路。
超級電容:高容量,用于能量存儲和快速充放電場景。

3.電容原理

RC電路是由電阻(Resistor)?和電容(Capacitor)?兩種基本元件組成的電路。

充電過程:

放電過程:?

?

4.電容的作用

主要作用就是"通交隔直,通高阻低",電容能近似通交流電,因為是開路所以直流電無法通過,頻率高的電源可以近似同過,頻率低的就近似無法通過。

t1前是充電,t1~t2放電;t2~t3充電,t3~t4放電,只要頻率足夠大,就類似突然接通正向電壓,開始充電,然后放電,再接通反向電壓充電,再放電。

4.1 儲能作用

電容最基本的作用是存儲電能,類似于一個"電子水庫"。

E = ?CV2

儲能公式:E為存儲的能量,C為電容值,V為電壓

應用場景:

  • 相機閃光燈:瞬間釋放大電流
  • 電子設備備用電源
  • 脈沖電路的能量存儲

4.2 濾波作用

電容能夠濾除電路中的交流成分,保留直流成分,起到"電子過濾器"的作用。

Xc = 1/(2πfC)

容抗公式:Xc為容抗,f為頻率,C為電容值

濾波原理:

  • 高頻信號:容抗小,被電容旁路到地
  • 低頻信號:容抗大,通過負載
  • 直流信號:完全通過負載

4.3 耦合作用

電容能夠傳遞交流信號,同時隔離直流成分,實現級間耦合。

耦合電容的選擇:

  • 容量要足夠大,確保低頻信號通過
  • 耐壓要足夠高,承受最大電壓
  • 頻率特性要好,避免信號失真

4.5 旁路作用

電容能夠為交流信號提供低阻抗路徑,起到"電子短路"的作用

旁路作用的應用:

  • 電源去耦:濾除電源紋波
  • 信號旁路:為高頻信號提供路徑
  • 噪聲抑制:降低電路噪聲

4.5 定時作用

利用電容的充放電特性,可以構成各種定時電路。

T = 1.1 × R × C

555定時器單穩態模式時間公式

定時應用:

  • 延時開關:控制設備延時啟動
  • 脈沖發生器:產生特定頻率的脈沖
  • 振蕩器:構成LC振蕩電路

4.6 電容作用總結

作用類型工作原理應用場景關鍵參數
儲能存儲電荷和電能閃光燈、備用電源容量、耐壓
濾波濾除交流成分電源濾波、信號濾波容量、頻率特性
耦合傳遞交流信號級間耦合、音頻耦合容量、耐壓
旁路提供低阻抗路徑電源去耦、信號旁路容量、頻率特性
定時利用充放電特性延時電路、振蕩器容量、精度

4.7 使用注意事項

電容選擇要點:

  • 耐壓值:必須大于工作電壓
  • 容量值:根據應用需求選擇
  • 溫度系數:考慮溫度對容量的影響
  • 頻率特性:高頻應用需考慮頻率特性
  • 極性:電解電容要注意正負極

常見問題:

  • 電容擊穿:電壓過高導致絕緣破壞
  • 容量衰減:長時間使用容量下降
  • 漏電流:絕緣不良導致漏電
  • 溫度漂移:溫度變化影響容量

電容最主要的特性就是:通交隔直,通高阻低;

三、電感

電感的工作原理是基于電磁感應的原理,當電流通過線圈,會產生磁場,磁通量隨著電流的變化而變化。電感的主要作用是在電路中儲能、濾波、阻抗匹配。電路中主要作用“通直流,阻交流”,觀看視頻幫助理解。

電感在電路中起什么作用的,電感的工作原理_嗶哩嗶哩_bilibili

1.1 電感的基本特性:

  • 能夠存儲磁場能量
  • 對直流電呈現短路狀態
  • 對交流電呈現感抗特性
  • 電流不能突變,電壓可以突變

1.2 原理:

電感電壓公式:U_L=L*(di/dt)

電路電壓:-U_L +?I2R = E
電感的感應電動勢是指當電感中的電流發生變化時,電感會在其兩端產生反
向電動勢。.其公式為:U_L=L*(di/dt),其中U_L是感應電動勢,L是電感
量,di/dt是電流變化率。根據法拉第電磁定律,感應電動勢的方向與電流變
化的方向相反。這意味著電感會抵抗電流的變化,從而影響電路中的電流流
動。

電路中U_L是負值,始終和電源電壓相反。

(1) 充電:

當電壓加在電感兩端時,電流逐漸增加,電感存儲磁能。這個過程類似于"磁能水庫"的蓄水過程。

充電特點:

  • 電流逐漸增加,先快后慢
  • 電感電壓逐漸減小,先快后慢
  • 時間常數 τ = L/R
  • 穩態時電流 = Us/R,電感電壓 = 0
(2) 放電:?

當電源斷開時,電感中存儲的磁能通過電阻釋放,電流逐漸減小到零。

放電特點:

  • 電流逐漸減小,先快后慢
  • 電感電壓為負值,逐漸減小
  • 時間常數 τ = L/R
  • 最終電流和電壓都趨于零

四、二級管

1. 二極管基礎知識

1.?二極管基本概念

二極管是一種具有單向導電特性的半導體器件,由PN結組成。它只允許電流在一個方向流動,在另一個方向則阻止電流通過。

2. 二極管的基本特性
  • 正向導通:正向電壓大于閾值電壓時導通
  • 反向截止:反向電壓時幾乎不導電
  • 閾值電壓:硅管約0.7V,鍺管約0.3V
  • 反向擊穿:反向電壓過高時擊穿損壞
3.?二極管的主要參數
  • 正向電壓降:導通時的電壓降
  • 反向擊穿電壓:最大反向電壓
  • 正向電流:最大允許正向電流
  • 反向漏電流:反向時的微小電流

2. 二極管作用:

(1) 整流

交流電壓與整型后的電壓:

整型電路:

正向電壓的流向:

反向電壓的流向:

  • 工作原理:正負半周都整流為正向,保證不管交流電的方向,RL的電壓都是上面高于下面。
  • 輸出波形:都是正向的周期性波形
(2) 穩壓作用

穩壓二極管

  • 工作原理:利用反向擊穿特性穩壓
  • 穩壓值:由穩壓管型號決定
  • 應用:提供穩定電壓參考

穩壓二極管和普通二極管的區別?

二極管一般在正向電壓下工作,穩壓管則在反向擊穿狀態下工作,二者用法不同;

普通二極管的反向擊穿電壓一般在40V以上,高的可達幾百伏至上千伏,而且在伏安特性曲線反向擊穿的一段不陡,即反向擊穿電壓的范圍較大,動態電阻也比較大。對于穩壓管,當反向電壓超過其工作電壓Vz(亦稱齊納電壓或穩定電壓)時,反向電流將突然增大,而器件兩端的電壓基本保持恒定。對應的反向伏安特性曲線非常陡,動態電阻很小。穩壓管可用作穩壓器、電壓基準、過壓保護、電平轉換器等。

?工作電路:

(3) 保護作用
  • 工作原理:防止反向電壓損壞電路
  • 應用:保護敏感電子元件

五、三級管

1.三極管基礎知識

1.1 三極管基本概念

三極管是一種具有放大作用的半導體器件,由三個電極組成:發射極(E)、基極(B)、集電極(C)。它能夠用小電流控制大電流,實現信號放大。

1.2?三極管的基本特性

  • 電流放大:基極電流控制集電極電流
  • 電壓放大:輸入電壓變化引起輸出電壓變化
  • 功率放大:小功率信號放大為大功率信號
  • 開關作用:在飽和區和截止區之間切換

1.3 三極管的主要參數

  • 電流放大系數β:Ic/Ib的比值
  • 集電極最大電流ICM:最大允許集電極電流
  • 集電極最大電壓VCM:最大允許集電極電壓
  • 集電極最大功耗PCM:最大允許功耗

補充:三極管有三個極:發射極、基極和集電極。當三極管工作時,基區內的電子會被激發到發射區,形成發射極電流;同時,集電區的空穴會被吸引到基區,形成集電極電流。三極管的主要作用是放大信號、電流控制,控制電壓以及開關電路。?

2. 三極管的工作狀態

截止狀態、放大狀態、飽和狀態

1. 截止狀態

  • 條件:VBE < 0.7V(硅管)
  • 特點:Ib?≈ 0,Ic?≈ 0
  • 應用:開關斷開狀態

2. 放大狀態

  • 條件:VBE?≈?0.7V,VCE?>?VBE
  • 特點:Ic = β×Ib,線性放大
  • 應用:信號放大

3.?飽和狀態

  • 條件:VBE?≈ 0.7V,VCE?≈?0.2V
  • 特點:Ic達到最大值,不再隨Ib增加
  • 應用:開關閉合狀態

使用時一般工作在飽和狀態和截止

可以觀看視頻,視頻更生動形象:

三極管的工作原理_嗶哩嗶哩_bilibili

3.?三極管類型

PN結原理理論講解:

第12節 幾分鐘讓你了解PN結_嗶哩嗶哩_bilibili

3.1?NPN型三極管

  • 特點:電子為主要載流子(上面的PN結原理視頻很詳細)
  • 應用:通用放大、開關
  • 型號:2N2222、2N3904、S8050

3.2?PNP型三極管

  • 特點:空穴為主要載流子
  • 應用:互補電路、推挽輸出
  • 型號:2N2907、2N3906、S8550

3.3 應用電路

作開關:

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