电子元件的基本原理和连接方式

时间：2023-06-24 理论教育 版权反馈

【摘要】：电子元器件中使用广、用量多的是电阻、电容、电感三种，被称为基本元件。利用导电物质的电阻作用制作的电子元件叫电阻器。欧姆定律的表达式为图2-6 电阻上电压、电流的关系在顾及电压高低和电流流向时，电流方向要与电压降低方向一致，图2-6中使用了字母，正、负号和箭头3种表示电压方向的方式。电阻的连接与计算图2-8 电阻串联电路中的元件有串联、并联两种基本的连接方式。①串联电路的基本特性：在串联电路中电流处处相等。

电子元件的基本原理和连接方式

电子元器件中使用广、用量多的是电阻、电容、电感三种，被称为基本元件。

（一）电阻

1.电阻简介

物质对电流的阻碍作用称为电阻，用字母R表示，单位是欧姆（Ω，简称欧），实际使用时还有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）：

对电流没有阻碍作用的物体叫做超导体。

利用导电物质的电阻作用制作的电子元件叫电阻器（简称电阻）。电流在电阻中受阻而消耗电能，将电能转换为热能，热量随时散发，电阻对电能的消耗是不可逆转的，所以电阻是消耗电能的元件。

2.电阻上的电压与电流的关系（欧姆定律）以及功率和电能消耗

图2-6所示为一只电阻（R）两端的电压（U）和流过电阻的电流（I）的图示。

图2-6 电阻上电压、电流的关系

在顾及电压高低和电流流向时，电流方向要与电压降低方向一致，图2-6中使用了字母，正、负号和箭头3种表示电压方向的方式。

（1）欧姆定律

在电阻组成的电路中，流过电阻的电流大小与加在电阻两端的电压成正比，与电阻成反比。电阻电路中电压与电流的这个关系叫做欧姆定律（也称为部分电路的欧姆定律）。

欧姆定律的表达式为

在表达式中，电压U单位为V、电阻R单位为Ω时，电流I单位为A。

欧姆定律的表达式可变换为

由欧姆定律定义：当一个导体两端加1V电压并在导体内形成1A电流时，确定导体的电阻为1Ω。

（2）电阻的电功率和电能消耗

将欧姆定律的关系式代入电功率和电能的计算公式如下：

1）电功率：

其中

是只适用于纯电阻电路的计算关系式，而

则适用于各种元器件组成的电路计算。

2）电能：

其中W=I²Rt是计算电阻将电能转换为热能的基本关系式，称为焦耳定律。

（3）全电路的欧姆定律

电源的作用是把非电能转换为电能，表述电源这种转换能力的电学物理量叫电动势，用字母E表示（单位与电压相同）。电源内部也有电阻，称为内阻，用r表示。若把电源的内阻划入计算范围，分析对象就是全电路（包括电源在内的整体电路）中电压、电阻、电流之间的制约关系，表述这个制约关系的叫做全电路欧姆定律。

在全电路中，电路的总能量来源于电源的电动势，电路结构如图2-7所示。

图2-7 全电路欧姆定律

全电路的欧姆定律表达式为

电源电动势与输出电流的乘积为电源输出的电功率，其中有一部分要消耗在内阻上，剩余的才消耗在电源之外的负载上。不同类型的电源对内、外电阻的要求也不同。

以输出能量为主要功能的电源（多为电压源）要求内阻上消耗能量越少越好（即R>>r），否则会烧坏电源。

对于输出能量微弱的信号源，则需要让负载上获得电源给予的最大功率（称为最大功率传输定理），通过计算可以得出，当负载电阻与内阻相等（即R=r，称为电阻匹配）时就能达到这样的效果，这是信号传输要求阻抗匹配（即负载阻抗要与信号源内阻相等）的原因之一。

电池老化，输出电能的能力下降，其外特性的表现是内阻增大，使输出电压降低。

（4）电阻的连接与计算

图2-8 电阻串联

电路中的元件有串联、并联两种基本的连接方式。

1）电阻的串联。电阻的串联如图2-8所示。

①串联电路的基本特性：在串联电路中电流处处相等。

②电阻串联特性：

a.总电阻等于各分电阻之和：

b.电压与电阻成正比，电阻起分压作用：

同样，功率也与电阻成正比：

c.在电路端电压固定的条件下，增加电阻可降低电路的电流，所以串联电阻可以限制电流。

2）电阻的并联。电阻的并联如图2-9所示。

图2-9 电阻并联

①并联电路的基本特性：各支路的端电压都相等。

②电阻并联的特性：

a.总电阻的倒数等于各分电阻的倒数之和：

b.各支路的电流与电阻成反比：

功率也与电阻成反比：

c.总电流等于各支路的分电流之和：

并联电阻可以分流。

3.电阻在电路中的作用

电阻对直流和交流及其他任何形式电流的作用是相同的，只把电能转换为热能。电阻不影响波形和相位，因此可借助电阻将交流电的电流转换为电压输入示波器显示。这一特性可用双通道示波器检测验证。

【边学边练】

同频率信号的相位比较（计算相位差）是必须用双通道输入才能实现的检测，检测接线如图2-10所示。

图2-10 电阻对交流电相位影响的检测接线及测试波形

图2-10中用两个电阻串联，是借助下面的电阻R₂，将流过电阻R₁，的交流电流转换为电压。

需要说明的是，由于示波器两个通道探头的接地夹是相连接的，在被测试电路中必须接在同一点（或同线近点）上，为比较两个串联电阻上的交流电压相位，就要以中间连接点为参考点，这样CH2测到的波形是倒相的，需要翻转过来再与CH1测到的波形比较。

CH1测试的是交流电在电阻R₁．上的电压波形，CH2测试的是流过R₁，的交流电电流的倒相波形。

示波器显示屏幕上的时间顺序是从左至右，即左为前，右为后。一个信号周期对应一个圆周角度（360。或2-π rad）。在示波器屏幕的水平方向，两个同频波形上相邻最近的同值同相点之间相距格数即两波形的相位差，在左侧的为超前，在右侧的为滞后。测试两个同频信号的相位差时，先测算出两个信号波形错开的格数，再计算相位差，如图2-11所示。

图2-11 同频信号的相位差

相位差：

两个信号的相位差为±180°（按弧度制为±π rad）时称为反相，利用电路效应将两个同频信号的相位差变为反相的处理叫倒相，实用中两个名称没有严格区分。

电阻在电路中通过不同连接方式发挥不同作用：串联分压、控制电流，并联分流。在电路中，与其他元器件串联的电阻，依据实际使用目的，有分压、取样以及限流、隔离、熔断（有专用于熔断的熔断电阻）等不同作用。与电容组合可构成退耦等具有选频特性的电路，与电感并联的电阻可减小电感的Q值，展宽LC谐振电路的通频带。

4.电阻按结构形式分类

电阻有固定电阻和可变电阻两大类，如图2-12所示。

电阻值固定不变的称为固定电阻器，固定电阻器的图形符号如图2-12a所示。阻值可以在某一个范围内调节变化的叫做可变电阻（可调电阻、电位器），可变电阻的图形符号如图2-12b所示。

在电路中使用电阻，需要关注的是阻值和功率两个参数，阻值是电路对电阻的要求，功率涉及电阻在电路中的使用安全。功率≤2W的电阻都用碳膜、金属膜、金属氧化膜制作，功率>2W的电阻器都用合金电阻线绕制。

5.电阻的参数标注

（1）标称值

1）标称值与偏差。

为使3种基本元件可预先进行成品化生产，依据常用电子电路对电阻的电阻值以及后面将介绍的电容的电容量、电感的电感量，采用统一的标称值参数，市场上供应的电阻器、电容器、电感器都是标称值产品。

统一的标称值用两位有效数字乘以10的若干次幂为电阻值、电容量、电感量的数值，再配以指定的单位。标称值的两位有效数字按偏差等级划分为3个系列，见表2-1。

图2-12 固定电阻和电位器的外形与图形符号

表2-1 标称值及偏差等级

2）标称值的标注方法。

在元件产品上标注标称值有直接标明数值和单位的直接标注法与只标明两位有效数字和10的幂指数的间接标注法。

间接标识法参照科学计数法的方式，用3位数字表示一个数，第1、2位对应标称值的两位有效数字，第3位数字表示倍乘数。数字在间接标注法中的使用方式和含义见表2-2。

表2-2 数字在间接标注法中的使用方式和含义

（2）电阻值的标注

直接标注阻值多用于微调电阻、电位器和体积较大的固定电阻，如图2-13所示。

图2-13 直接标注的微调电阻和电位器

小体积的固定电阻都用间接标注法，单位为Ω。电阻阻值的间接标注法有色标和字标两种方式。

圆柱形小体积电阻多用色标方式。色标是用颜色表示数字，颜色与数字的对应见表2-2。

电阻值的色环标识有3环制和4环制两种，再加一个色环表示误差，就是4环和5环，如图2-14所示。

图2-14 电阻的色环标注

在两种标注方式中，色环都是从左向右排列，表示偏差的色环都排在最右端，称为偏差环。

三环制的前两环表示两位数字，第3环表示10的幂指数；四环制是把有效数字增为3位（第3环多为黑0），第4环表示10的幂指数（比三环降一色），单位都是Ω。示例如图2-15所示。

图2-15 色环标注示例

字标方式多用于微小的贴片电阻和大功率、低阻值电阻。与色环不同的是表示10的幂指数的第3位数：用9表示“-1”、8表示“-2”。贴片电阻标注如图2-16所示。

图2-16 贴片电阻标注示意图

功率大于3W、阻值小于10Ω的大功率电阻都用文字标注，如图2-17所示。

图2-17 间接标注的3W固定电阻

组装电路之前应严格检测核对电阻的阻值。对准确度要求较高的部位可用电位器调试确定或使用微调电阻，用于仪表电路要定做精密电阻。检测电阻值的仪表叫欧姆表，若进行精确检测要用电桥。

【边学边练】

对普通电阻检测可用万用表（见第一章图1-14），对电位器（可变电阻）检测，可先如图2-18所示检测电位器的总阻值，再把一只表笔移到滑动端B引脚，转动旋柄，看表针的位置变化。

图2-18 电位器的检测

（3）电阻的功率标识

电阻用于具体电路中，既要注意阻值参数，又要注意功率参数。

由于电阻是将电能转换为热能的元件，电阻的功率是指电阻的耐烧能力，绝不可忽视。决定电阻功率的因素有电阻材料的耐高温特性、电阻整体的热容量以及散热效果三种。

按电阻材料，碳膜电阻的功率最小，金属膜电阻的功率稍大。同体积的电阻，金属膜电阻的功率是碳膜电阻的2倍。大于2W的电阻都用电阻线绕制（线绕电阻）。

热容量与体积成正比，体积小的热容量小、体积大的热容量大；物体的散热效果与表面积大小直接对应，散热慢、功率小，散热快、大功率。电阻的功率都用文字标注，功率在1/4W（含1/4W）以下的通常不做功率标注。在电路图中对电阻功率的标注方法如图2-19所示。

图2-19 电路图中的电阻功率标注

为防止电阻通电烧毁，普通电阻器上标注的额定功率取其实际功率的1/2。熔断电阻相当于电路中的熔丝，其标注功率取其临界值，以确保电路的安全。

（二）电容

1.电容的结构、图形符号及电容量

电容是由两个金属板中间夹有绝缘材料构成的。电容的文字符号用字母“C”表示，在电路图中的图形符号如图2-20所示。

图2-20 电容的基本结构和图形符号

电容的主要电参数是电容量，耐压能力和漏电是电容的另外两个重要参数。电容的性能和用途与两极板间的介质有密切关系，常用电容的介质有空气、云母、陶瓷、金属氧化物、纸、电解质等。介质所能承受的不击穿电压决定电容的耐压能力，是电容在使用时不可忽视的参数。电介质的绝缘质量直接影响电容的漏电大小，有明显漏电的电容不能用。

2.电容的电气性能(www.daowen.com)

1）电容具有以电场形式储存电能的作用，理想电容（漏电为0）只能存储（充电）和释放电能（放电），不消耗电能。充电时以电场的形式将电能储存起来，放电时再将电场能转换为电流，作用类似于电池。

电容中存储的电能由充电后的电压决定：

2）电容在电路中除充电过程外不能通过直流，具有隔断直流电的效果，但能通过交流电（隔直流、通交流）。常用于耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐等方面，是电子电路中重要的基本元件。

电容对交流信号有阻碍作用，叫做容抗，用X_C表示

电容对交流信号的容抗与交流信号的频率f成反比，所以电容对交流信号是阻低频、通高频。容抗的单位是欧姆（Ω）。

3）电容在电路中的宏观特性是两端的电压不能突变，交流电通过电容时，电压相位滞后电流90°（即π/2）。交流电通过电容的相位变化如图2-21所示。

图2-21 交流电通过电容的相位变化

【边学边练】

电容的这种特性可以用双踪示波器测试，接线方式如图2—22所示。

图2-22 双踪示波器测试电容的接线方式

4）电容与电阻组合构成具有一定时间常数的电路单元，如微分电路、积分电路和滤波电路等，还可为振荡电路控制振荡周期，是模拟、脉冲两种电路的重要组成部分（在第三章第五节和第五章第一节中介绍）。

3.电容的种类及应用

电容产品主要以结构和电介质为参照对名称和性能进行分类。电容的种类繁多，不同种类电容的性能和用途不同。

（1）按结构分类

按结构可分为固定电容、可变电容、微调电容（也叫半可变电容）。

电容的容量固定叫固定电容，电容量在一定范围内可以调节的电容叫可变电容。收音机中常用双联可变电容来调节频率选择电台。

微调电容在电路中常用作补偿电容。

常见电容的外形如图2-23所示。

图2-23 常见电容的外形

（2）按电介质种类分类

按电介质种类可分为空气电容、纸介电容、云母电容、涤纶膜电容、瓷片电容、油浸电容、电解电容等多种。

（3）按频率特性分类

按频率特性可分为高频电容、低频电容。电容的频率特性由电介质的频率特性和电容的结构决定。从结构上说，平板式结构的瓷片适于高频电路，卷状结构则不宜用在高频电路。

（4）按极性分类

按极性可分为无极性电容、有极性电容。为制作容量大、体积小的电容，使用浸有电解质溶液的纸作为电介质，使用不同金属材料做电容器的两个极板，称为电解电容。电解电容有正、负极，反向加电漏电会明显增大，不但影响电容在电路中的作用，而且导致电容生热损坏。为便于区分，电解电容的长引线为正极，较短的引线为负极。正极的直流电位应高于负极，使用时切记不可将极性接反。

4.电容器的串联、并联

电容器的串联、并联如图2-24所示。

图2-24 电容的串联、并联

1）电容并联的总电容等于各分电容之和：

电容并联使用时，总耐压能力取其中最低的。

2）电容器串联的总电容的倒数等于各分电容倒数之和：

每个电容两端的电压与电容量成反比：

5.电容的标注

电容外壳上标注的有介质材料、封装形式、容量、偏差等级、耐压值、环境温度限制等项内容，其中电容的容量是最主要的参数，微型（贴片）电容的外壳表面只标注容量，小型电容增加偏差的标注。外表面积较大的电容标注的参数项目多一些，排在最前面的是电容型号，其他参数的排列顺序视产品种类和厂家标注习惯而定，常见的标注方式有以下两种。

（1）电容的标注由型号、额定耐压值、标称容量和允许偏差4个部分组成