电子元件的选择与应用.doc

毕业设计毕 业 设 计 毕业设计名称： 机电一体化毕业设计 题 目：电子元件的选择与应用 学 生 姓 名： 专 业： 机电一体化 学 号： 指 导 教 师： 日期：2010年11 月 7日摘要电子元器件是电子电路的重要组成单元。当一种电路结构形成被设计确定，并以精密的工艺手段完成制作与调试之后，电子元器件将在长期通电运行中各行其责，默默的承担着各自的使命。因此，这些电子元器件的性能、质量将对电子设备产品质量与可靠性起着决定性的作用。电子元器件有许多种，本文以电阻器、电容器为核心，主要介绍了电阻器、电容器的基本性能及各种参数意义，以及质量判断和使用规范；并对其工作原理和它们在电路结构中所起的作用。根据电阻器、电容器的特点和作用，从多个侧面入手，结合当今飞速发展的电子应用领域，以典型单元电路为主，有的放矢的详细介绍了电阻器、电容器的基本知识，它们在电路中所起的作用，电路工作原理分析等。 关键词：电子元器件；电阻器；电容器；检测 引言几乎所有的现代化电子设备和电子产品；其内部电路结构通常除了晶体二极管、三极管、集成电路、半导体器件之外，还有一个较大群体的组成部分，那就是电子电路最基本的三大电子元件电阻、电容和电感。这些常用的电子元件在各种电路结构中，根据它们所在的位置起着各自的作用。本文以电阻器、电容器为核心，主要介绍了电阻器、电容器的基本性能及各种参数意义，以及质量判断和使用规范；并对其工作原理和它们在电路结构中所起的作用。根据电阻器、电容器的特点和作用，从多个侧面入手，结合当今飞速发展的电子应用领域，以典型单元电路为主，有的放矢的详细介绍了电阻器、电容器的基本知识，它们在电路中所起的作用，电路工作原理分析等。 1电阻器 1.1 电阻器的基础知识 电阻器是电路元件中应用最广泛的一种，在电子设备中约占元件总数的30%以上，其质量的好坏对电路工作的稳定性有极大影响。它的主要用途是稳定和调节电路中的电流和电压，其次还作为分流器分压器和负载使用。（1）电阻器的分类 按结构形式分类 电阻器按结构形式分类有固定电阻器、可变电阻器两大类。 固定电阻器的种类比较多，主要有碳质电阻、碳膜电阻、金属电阻、线绕电阻器等。固定电阻器的电阻值是固定不变的，阻值的大小就是它的标称值。固定电阻器的文字符号常用字母“r”表示。 按制作材料的不同分类 线绕电阻器、膜式电阻器、碳质电阻器等。 按用途分类 精密电阻器、高频电阻器、高压电阻器、大功率电阻器、热敏电阻器、熔断电阻器等等。 按引出线的不同可分为轴向引线、无引线电阻器。（2）常用的电阻器碳膜电阻 碳膜电阻是最早、最广泛使用的电阻。它是由碳沉积在瓷质基体上制成，通过改变碳膜的厚度或长度，可以得到不同的阻值。其主要特点是耐高温，当环境温度升高后，其阻值变化与其它电阻相比，变化很小，高频特性好，精度高，常在精密仪表等高档设备中使用。 金属膜电阻 金属膜电阻是在真空条件下，在瓷质基体上沉积一层合金粉制成。通过改变金属膜的厚度或长度可得到不同的阻值。其主要特点是耐高温，当环境温度升高后，其阻值变化与碳膜电阻相比，变化很小，调频特性好，精度高，常在精密仪表等高档设备中使用。 线绕电阻 线绕电阻是用康铜丝或锰铜丝缠绕在绝缘骨架上制成。它有很多优点：耐高温、精度高、功率大。但其调频特性差，这主要是由于其分布电感较大。在低频的精密仪表中被广泛应用。 保险电阻 保险电阻具有双重功能，在正常情况下具有普通电阻的电气特性，一旦电路中电压升高、电流增大或某个元器件损坏，保险电阻就会在规定的时间内熔断，从而达到保护其它元器件的目的。 光敏电阻 光敏电阻是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的敏感电阻。它是利用半导体的光电效应特性制成的。其电阻随着光照的强弱而变化。光敏电阻器主要用于各种自动控制、光电计数、光电跟踪以及照相机的自动曝光等场合。 ntc、ptc热敏电阻 ntc热敏电阻是一种具有负温度系数变化的热敏元件，其阻值随温度升高而减小，可用于稳定电路的工作点。ptc热敏电阻是一种具有正温度系数变化的热敏元件。在达到某一特定温度前，电阻值随温度升高而缓慢下降，当超过这个温度时，其阻值急剧增大。这个特定温度点称为居里点。ptc热敏电阻的居里点可通过改变其材料中各成分的比例而变化。它在家电产品中被广泛应用，如彩电的消磁电阻、电饭煲的温控器等。 其它敏感电阻器 湿敏电阻器、磁敏电阻器、气敏电阻器、力敏电阻器、压敏电阻器等，这些敏感电阻器在自动控制方面起到很大作用。 （3）电阻器的符号 （4）电阻器的主要性能指标 额定功率：在规定的环境温度和湿度下，假定周围空气不流通，在长期连续负载而不损坏或基本不改变性能的情况下，电阻器上允许消耗的最大功率。为保证安全使用，一般选其额定功率比它在电路中消耗的功率高1-2倍。额定功率分19个等级，常用的有0.05w、0.125w、0.25 w、0.5 w、1 w、2 w、3 w、5 w、7 w、10 w，在电路图中非线绕电阻器额定功率的符号表示如下图： 图1标称阻值：产品上标示的阻值，其单位为欧，千欧、兆欧，标称阻值都应符合下表所列数值乘以10n欧，其中n为整数。允许误差标 称 阻 值 系 列5%1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.03.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.110%1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.220%1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8表1 在电路图中电阻器阻值在兆欧以上，标注单位m。比如1兆欧，标注1m；2.7兆欧，标注2.7m。阻值在1千欧到100千欧之间，标注单位k。比如5.1千欧，标注5.1k；68千欧，标注68k。阻值在100千欧到1兆欧之间，可以标注单位k，也可以标注单位m。比如360千欧，可以标注360k，也可以标注0.36m。阻值在1千欧以下，可以标注单位，也可以不标注。比如5.1欧，可以标注5.1或者5.1；680欧，可以标注680或者680色标位置和倍率关系颜色有效数字倍率允许偏差（%）银色/x0.0110金色/x0.15黑色0+0/棕色1x101红色2x1002橙色3x1000/黄色4x10000/绿色5x1000000.5蓝色6x10000000.2紫色7x100000000.1灰色8x100000000/白色9x1000000000/ 表2色标位置和倍率关系示例在电阻体的一端标以彩色环，电阻的色标是由左向右排列的，图1的电阻为270000.5%。精密度电阻器的色环标志用五个色环表示。第一至第3色环表示电阻的有效数字，第4色环表示倍乘数，第5色环表示容许偏差，图2的电阻为17.51% 表示270005% 表示17.51% （5）电阻器的简易测试 阻值测试方法主要有万用表测试法。另外，还有电桥测试法、rlc智能测试仪测试法、电阻误差分选仪测试法等。 用万用表测量电阻的方法如下： 将档位旋钮置于电阻档，再将倍率档旋钮置于r1档，然后把两表笔金属棒短接，观察指针是否到零位。如果调整欧姆档调零旋钮后，指针仍然不能到零位，则说明电池不足，应更换电池。 按万用表使用方法规定，表笔应指在标度尺的中心部分，读数才准确，因此，根据电阻器的阻值来选择倍率档。 右手拿万用表棒，左手拿电阻体的中间，切不可用手同时捏表棒和电阻器的两根引脚。因为这样测量的是原电阻器并上人体电阻的阻值，尤其是测量高电阻时，会使测量误差增大。在电路中测量电阻时要切断电源，要考虑电路中的其它元器件对电阻值的影响。如果电路中接有电容器，还必须将电容器放电，以免万用表被烧毁。 （6）电阻器的选用 按用途选择电阻器的种类 在一般档次的电子产品中，选用碳膜电阻就可满足要求。对于环境较恶劣的地方或精密仪器中，应选用金属膜电阻。 正确选取阻值和允许误差 对于一般电路，选用误差为5%的电阻即可，对于精密仪器应选用高精度的电阻器。 为保证电阻器可靠耐用，其额定功率应是实际功率的23倍。 电阻器安装前，应将引线处理一下，保证焊接可靠。高频电路中电阻器引线不宜长，以减少分布参数的影响；小型电阻器的引线不宜短，一般大于5mm以上。 使用电阻器，应注意电阻两端所承受的最高工作电压。 电阻器绝缘性能要良好。不能有脱漆现象等。1.2 电阻器在电路中的应用 （1）电压分配 我们对分压器可能都有所了解, 电阻在工作时确实会消耗一些功率, 但是通过它们分配的电压可以使晶体管或电子管实现正常的偏置. 这样可以保证放大器或振荡器在最有效, 最可靠的状态下工作.（1） 偏置 为了更有效地工作, 晶体管或电子管需要正确地被偏置. 也就是说要控制电极-基极, 门极或栅极-必须有特定的电压或电流. 电阻网络被用来完成这项任务. 不同的电路需要不同的偏置电平. 射频发送放大器的偏置通常与振荡器或低电平接收放大器的偏置是不同的. 有时用分压器来实现偏置, 有时不需要. 图2所示的晶体管就是通过把一对电阻接成分压器的形式来实现偏置的.图2 用于偏置晶体管基极的分压器（2） 限流电阻器会妨碍电路中电子的流动. 有时候这是为了保护某个元件或电路. 接收放大器就是一个很好的例子. 电阻器可以防止晶体管因消耗大量功率而发热. 如果没有电阻器来限制或控制电流, 晶体管就会被与信号无关的直流电流而烧坏. 一个没有正确设计的放大器需要经常更换晶体管, 不是因为在需要的地方没有使用电阻器, 就是所选电阻器的阻值不对.图3所示为与晶体管串联的限流电阻器. 通常它被接在发射极端, 但也可接在集电极端.图3 晶体管电路中的限流电阻器（3） 功率耗散把功率以热的形式耗散掉并不总是坏事. 有时电阻器可被用来作为虚拟元件, 于是从电路侧看电阻器, 就好像它是一个复杂的东西. 例如, 在收音机中, 电阻器可被用来替代天线. 这样就可以测试发射器了, 而不会干扰电视广播的信号. 发射器的输出使电阻器发热, 而不会发射出任何信号. 但是只要测试完毕, 就抑换上天线了.(图4)图4 a图中,发射器被接到真正的天线上;在4图中,发射器被接到一个阻性的虚拟天线上.将电阻器用在功率放大器的输入端来耗散功率也是非常有用的. 有时驱动放大器的电路输出功率太大, 这时就需要用一只电阻器或一个电阻器网络来消耗这部分多余的功率, 以使得功率放大器不被过驱动.（5）泄流电阻器 在高压, 直流(dc)电源中, 电容器被用来滤除输出电压中的波动. 这些电容器需要充电, 并将电能储存一会儿. 在有些电源中, 滤波电容器两端的电压与输出电压一样, 比如有时为50v, 即使在电压关闭后, 或者从插座中将插头拔出后, 电容器仍保持着高压. 如果此时维修这样一个电源, 是很危险的. 泄流电阻器, 并联在电容器的两端, 会消耗电容器储存的能量, 以使电容器两端的电压下降到安全电压范围以内(图5).图5 在直流电源中,泄流电阻被接到滤波电容器的两端.在维修高压直流电源前, 用一把带绝缘柄的螺丝刀将所有的滤波电容器短路一会儿, 常常是一个不错的主意.在维修一台射频功率放大器时. 电容器两端的电压约为2kv.拿一把螺丝刀, 在确认只拿着绝缘手柄的情况下,用螺丝刀把电容器的两端短路了一下. 砰!即使有泄流电阻, 要消耗掉电容器中的残留电荷也需要一定的时间. 为了安全起见, 在工作前要把滤波电容器的两端短一下,阻抗匹配电阻器较精细, 较复杂的应用是在放大器链的耦合中, 或者在放大器的输入输出电路中.为了产生最大可能的放大效果, 前级放大器的输出阻抗必须与下一级的输入阻抗相匹配. 在信号源和放大器的输入之间同样需要有这样的关系. 而且, 在放大器链中的最后一个放大器和负载之间也要有这样的关系, 不论负载是扬声器, 耳机, 传真机, 还是别的什么.2电容器2.1电容器的基础知识电容器是在两个金属电极中间夹一层绝缘材料（介质）构成，它是一种储存电能的元件，在电路中具有交流耦合、旁路、滤波、信号调谐等作用。 （1）电容器的分类 电容器按结构可分为固定电容器、可变电容器、微调电容器.按介质可分为空气介质电容器、固体介质（云母、陶瓷、涤纶等）电容器及电解电容器.按有无极性可分为有极性电容器和无极性电容器。（2）常用的电容器 圆片形瓷介电容器 瓷介电容器的主要特点是介质损耗较低，电容量对温度、频率、电压和时间的稳定性都比较高，常用在高频电路及对电容器要求比较高的场所。 圆片形低频瓷介电容器 该电容器供电子设备中对损耗和容量稳定性要求不高的电路使用或作旁路、耦合之用。 低频独石瓷介电容器 低频独石瓷介电容器用于旁路和低频隔直电路，特别适用于半导体电子电路，具有体积小、电容量大、特性稳定、电感小和高频性能好等优点。 云母电容器 云母电容器用于直流、交流和脉冲电路。云母电容器具有优良的电气性能，绝缘强度高、损耗小，而且温度、频率特性稳定，但抗潮湿性能差。 金属化纸介电容器 金属化纸介电容器的体积仅相当于纸介电容器的1/4。其主要特点是具有自愈作用，当介质发生局部击穿后，经自愈作用，其电气性能可恢复到击穿前的状态，但绝缘性能较差。该电容器广泛应用于自动化仪表和家用电器中，但不适用于高频电路，它的工作频率一般不宜超过几十千赫。 涤纶电容器 涤纶电容器是塑料薄膜电容器（聚苯乙烯、聚丙烯、涤纶、聚碳酸酯电容器等）中的一种，也是塑料薄膜电容器中产量较大、应用最广泛的一种，其电容量及耐压范围最宽。涤纶电容器的电参数随温度变化较大，其中容量在温度超过100以后随温度的升高而急剧增加，因此它不宜作功率交流电容器，为使电容量稳定，应在80100下使用较好。 铝电解电容器 铝电解电容器用于直流或脉冲电路。该电容器是有极性的，除正、负引出头外，外壳为负极 钽电解电容器 钽电解电容器主要用于替补铝电解电容器性能参数难以满足要求的电路中，例如，用于要求电容器体积小、上下限度范围宽、频率特性和阻抗特性要求高、产品稳定性、可靠性要求较高的电路。电视机、录像机、摄像机、高保真音响设备等也选用部分钽电解电容器，以提高整机质量。但电解电容器的价格较高。 （3）电容器的符号 （4）电容器的主要性能指标标称容量和允许误差：电容器储存电荷的能力，常用的单位是f、uf、pf。电容器上标有的电容数是电容器的标称容量。电容器的标称容量和它的实际容量会有误差。常用固定电容允许误差的等级见表3。常用固定电容的标称容量系列见表4。一般，电容器上都直接写出其容量，也有用数字来标志容量的，通常在容量小于10000pf的时候，用pf做单位，大于10000pf的时候，用uf做单位。为了简便起见，大于100pf而小于1uf的电容常常不注单位。没有小数点的，它的单位是pf，有小数点的，它的单位是uf。如有的电容上标有“332”（3300pf）三位有效数字，左起两位给出电容量的第一、二位数字，而第三位数字则表示在后加0的个数，单位是pf.允许误差2% 5% 10% 20% (+20% -30%) (+50% -20%) (+100%-10%)级别02 表3固定电容允许误差的等级电容类别允许误差容量范围标 称 容 量 系 列纸介电容、金属化纸介电容、纸膜复合介质电容、低频（有极性）有机薄膜介质电容5%10%20%100pf1uf1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.81uf100uf1 2 4 6 8 10 15 20 3050 60 80 100高频（无极性）有机薄膜介质电容、瓷介电容、玻璃釉电容、云母电容5%1pf1uf1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.02.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.34.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.110%1pf1uf1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.73.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.220%1pf1uf1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8铝、钽、铌、钛电解电容10%20%+50/-20%+100/-10%1uf1000000uf1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8(容量单位uf)表4固定电容的标称容量系列额定工作电压：在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压，就是电容的耐压，也叫做电容的直流工作电压。如果在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。常用的固定电容工作电压有6.3v、10v、16v、25v、50v、63v、100v、2500v、400v、500v、630v、1000v。绝缘电阻：由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000兆欧以上，电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电电阻，大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。漏电电阻越小，漏电越严重。电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作。因此，漏电电阻越大越好。介质损耗：电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示。损耗角越大，电容器的损耗越大，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。 （5）电容器的简易测试 电容器在使用前应对其漏电情况进行检测。容量在1100f内的电容用r1k挡检测；容量大于100f的电容用r10检测，具体方法如下：将万用表两表笔分别接在电容的两端，指针应先向右摆动，然后回到“”位置附近。表笔对调重复上述过程，若指针距“”处很近或指在“”位置上，说明漏电电阻大，电容性能好；若指针距“”处较远，说明漏电电阻小，电容性能差；若指针在“0”处始终不动，说明电容内部短路。对于5000pf以下的小容量电容器，由于容量小、充电时间快、充电电流小，用万用表的高阻值挡也看不出指针摆动，可借助电容表直接测量其容量。 （6） 电容器的选用 电容器的种类繁多，性能指标各异，合理选用电容器对产品设计十分重要。 不同的电路应选用不同种类的电容器 在电源滤波、退耦电路中要选用电解电容器；在高频、高压电路中应选用瓷介电容、云母电容；在谐振电路中，可选用云母、陶瓷、有机薄膜等电容器；用作隔直流时可选用纸介、涤纶、云母、电解等电容器，用在调谐回路时，可选用空气介质或小型密封可变电容器。 电容器耐压的选择 电容器的额定电压应高于实际工作电压的1020，对工作稳定性较差的电路，可留有更大的余量，以确保电容器不被损坏和击穿。 容量的选择 对业余的小制作一般不必考虑电容器的误差。对于振荡、延时电路，电容器容量应尽可能小，选择误差应小于5%，对于低频耦合电路的电容器其误差可大一些，一般1020%就能满足要求。 在选用时还应注意电容器的引线形式。可根据实际需要选择焊片引出、接线引出、螺丝引出等，以适应线路的插孔要求。 电容器在选用时不仅要注意以上几点，有时还要考虑其体积、价格、电容器所出的工作环境（温度、湿度）等情况。 电容器的代用 在选购电容器的时候可能买不到所需要的型号或所需容量的电容器，或在维修时手头有的与所需的不相符合时，便考虑代用。代用的原则是：电容器的容量基本相同；电容器的耐压值不低于原电容器的耐压值；对于旁路电容、耦合电容，可选用比原电容容量大的代用；在高频电路中，代换时一定要考虑频率特性，应满足电路的要求。 （7）电容器使用注意事项 使用电容器时应测量其绝缘电阻，其值应该符合使用要求。 电容器外形应该完整，引线不应松动。 电解电容器极性不能接反。 电容器耐压应符合要求，如果耐压不够可采用串联的方法。 某些电容器，其外壳有黑点或黑圈，在接入电路时应将该端接低电位或低阻抗的一端（接地）。作电源去耦以及旁路用的电容器，通常应使用两只电容器并联工作，一只先用较大容量的电解电容器，作为低频通路；另选一只小容量的云母或瓷介电容器作为高频通路。 温度对电解电容器的漏电流、容量及寿命都有影响，一般的电解电容器只能在50以下环境使用。 用于脉冲电路中的电容器，应选用频率特性和耐温性能较好的电容器，一般为涤纶、云母、聚苯乙烯等电容器。 可变电容器的动片应良好接地。 可变电容器使用日久，动片间会有灰尘，应定期清洁处理。2.2电容器在电路中的应用 （1）电容器的等效电路图6r1：电极和引出端子的电阻r2：阳极氧化膜和电解质的电阻 r3：损坏的阳极氧化膜的绝缘电阻d1：具有单向导电性的阳极氧化膜c1：阳极箔的容量c2：阴极箔的容量l ：电极及引线端子等所引起的等效电感量（2）电容c的一般应用最常用的就是从市电进来(ac)要变成直流。电路如下：图7市电(ac220v)经变压器后，再经桥式整流器，此时即成为脉动直流(暂不考虑电解电容c)。图8加上电解电容c后，即可变成直流，如下图所示：图9但毕竟c并非理想电容，以串联等效电路来看，且加上负载rl后，则电路如下图：图10es即为等效串联电阻（equivalent series resistance, esr） 当电容充电到峰值后，即会对负载rl放电(放电电流il)，此时，在rs上即产生一个压降(或功率消耗)，波形变成图11vripple (纹波)因此，原本的直流电压就会在上面叠加了一个交流信号，即所谓的纹波，而这纹波的大小除