[黑金原创教程][连载][iBoard 电子学堂][第〇卷 电子基础]第一篇 认识电子元器件...
一、什么是电子元器件
常言道,巧妇难为无米之炊,电子元器件就是电子工程师的“米”,它们是电子工程师日常设计中接触到最多的实物,掌握常用器件的各项特性,是一个合格的电子工程师必备技能。
电子元器件其实是电子元件和电子器件的合称。一开始他们的定义如下。电子元件是指生产过程中,不改变分子成分的成品。也叫无源器件,如电阻、电容、电感等。电子器件是指生产过程中改变分子结构的成品。如电子管、晶体管、集成电路等。随着电子行业发展越来越快,工艺逐步提高,元器件也越来越多,电子元件和电子器件的概念越来越模糊;电子工程师没必要纠结本概念。习惯中,电子元件、电子器件和电子元器件均指同一类物品。甚至某些外围物品(如连接器、插座、排线等)我们也叫做电子元器件。
二、电子元器件分类
1、从电源的角度分类
从是否消耗电源的角度分类,电子元器件可分为有源器件和无源器件。
无源器件:如果电子元器件工作时,不需要外间电源就能表现其自身的特征,则这种元器件叫做无源器件。常用的无源器件如电阻、电容、电感、二极管等。
有源器件:与无源器件对应,如果电子元器件工作时,需要能量才能显示出其特性,这种元器件叫做有源器件。常用的有源器件如三极管、场效应管、大部分集成电路等等。
2、从功能上分类
根据功能上分类,可分为分立元器件和集成电路两种。
分立元器件:从功能上,那些具有单独的基本功能并且功能不能拆分的单元,叫做分立元器件。如电阻、电容、电感、二极管、三极管等等。他们功能单一,并且是电子电路中最基本的功能。
集成电路(Integrated Circuit,IC):采用一定的工艺,把晶体管、二极管、电容、电感等基本器件集成在一起,形成一个体积较小、且具有特定功能的微型电子电路结构,我们叫做集成电路。近几十年集成电路技术和工艺飞速发展,这就为电子工程师日常设计提供了较大的发挥空间。
三、基本电子元器件
1、电阻器
提到电阻器大家都不陌生,按照定义,我们把导体对电流的阻碍作用就叫做导体的电阻。电子线路中,用某种材料制造的具有电阻特性的导体,我们叫做电阻器,也常常简称为电阻。电阻器是电子线路中使用最多的基本元器件之一。电阻(我们常用R表示)的单位为欧姆(Ω)。定义为公式(1)。
其中 V 为导体两端的电压,I为流经导体的电流。电阻为导体的基本属性,假设导体均匀,则他的电阻值与长度成正比,与截面积成反比。电阻的倒数叫做电导(常用G表示),单位为西门子。
电子线路中,习惯上常用Rx(x表示数字编号)表示电阻器,电阻器常用于分压、限流、阻抗匹配等作用。电阻器有很多物理形式,图一列出了常用的电阻器封装。iBoard中,我们使用的是表面贴装(贴片)电阻器。
图一(1)直插式电阻器 图一(2)贴片电阻器
2、电容器
电容器是一种容纳电荷的器件,又叫电容。简单的电容是由两片极板和中间的绝缘电介质构成。电容的单位为法拉(F),它以发现电磁感应现象的英国物理学家迈克尔· 法拉第命名。法拉是一个“较大”的单位,电子线路中,我们常用微法(uF,1uF=10-6F)、皮法(pF,1pF=10-12F)来表示电容值。
电容的种类很多,从原理上,我们可以分为无极性电容和有极性电容。有极性电容使用过程中极性不能接反,接反后极有可能引起电容器爆炸,电容器接反也是调试过程中工程师最容易犯的低级错误。从材料上我们可以分为电解电容、瓷片电容、钽电容、CBB电容、独石电容等等,每种电容都有其自身的特征,电子工程师需根据不同的电子线路特征来选择合适的电容器。
电子设计中,我们常用电容器实现储能、旁路、去耦、滤波等功能。电子线路里,常用Cx(x为编号)表示无极性电容器,用ECx(x为编号)表示有极性电容器。图二为 iBoard 中使用的电容器类型。
图二(1)贴片瓷片电容 图二(2)贴片铝电解电容
3、电感器
有一种电子元器件,把他放在闭合回路中,在回路中电流改变时,会出现电动势来抵抗回路电流的改变,这种特性叫电感,具有电感特性的元器件我们成为电感器。最简单的电感是螺线管样式的导线。这里大家要清楚,电感对电流的阻碍作用和电阻对电流的阻碍作用是两码事。一方面,电感是在电流变化时,它阻碍电流的变化;而电阻,有电流他就阻碍;第二,电阻是消耗能量的,而电感,是把能量“储存起来”。
电感的单位为亨利,标记为“H”,它以美国科学家约瑟 · 亨利命名。电子电路中,我们以 Lx(x为编号)表示电感,图三为常用电感实物图。
图三 常用电感(依次为贴片功率电感、磁环电感、工字型电感和贴片层叠电感)
4、铁氧体磁珠
磁珠是用于抑制信号线、电源线上高频干扰的电子元器件。我们可以把磁珠认为品质因数Q较小的电感器。磁珠可以等效为电阻器和电感器串联,但磁珠和电感也是有很大差别的,电感是储存能量而磁珠是消耗能量的。
磁珠的单位是欧姆(Ω),他与电阻有着相同的单位,我们常以100MHz时的阻抗,作为磁珠的阻抗值。电子线路中,常用FBx(x为编号)来表示磁珠,图四为磁珠的实物图和电路符号。
图四 磁珠实物图与电路符号
5、晶体二极管
晶体二极管,简称二极管,是一种具有电流单向流动性的电子元器件。二极管有两个电极,分别为阳极(Anode,简称A)和阴极(Cathode,简称K),电流可以从阳极流向阴极,不能从阴极流向阳极。
二极管有很多分类,如普通二极管,肖特基二极管,稳压二极管、发光二级管(LED)等。常用二极管实物图如图五所示,电路符号如图六所示,依次为普通二极管、发光二级管、肖特基二极管、齐纳二极管、变容二极管和隧道二极管。电路中,我们常用Dx(x为编号)来表示二极管。
图五 常用二极管实物图
图六 二极管电路符号
6、晶体三极管
晶体三极管,简称三极管。它具有电流放大作用,是最基本的元器件之一。三极管是由相邻的两个 PN 结组成,两个 PN 结把三极管分成三部分,排列方式有NPN和 PNP两种方式。
三极管有三个引脚分别为基极(B)、集电极(C)和发射极(E)。电子电路中,三极管常用Qx(x为编号)表示,常用与电流放大和开关作用,其电路符号如图七所示。实物图如图八所示。
图七 三极管电路符号
图八 三极管实物图
四、集成电路封装
集成电路,简称 IC。从1958年第一个集成电路的出现一直到现在,集成电路经历几十年的飞速发展后,出现了各式各样的种类。制造工艺的发展,使得集成电路集成度越来越高,功能越来越复杂,而价格却越来越低。如今集成电路已经渗透到人们生活的各个角落,它为信息化社会奠定了硬件基础。以后的章节我们都建立在集成电路的基础上。
生产厂商把集成电路做成各式各样的封装(当然,为了降低成本,某些应用领域也用裸片的形式出现),一是为电路提供一个稳定可靠的工作空间,二是方便电子工程师应用。了解常用集成电路的封装,是电子工程师最基本的技能。下面为一些具有代表性的电子元器件封装形式。
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