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元器件基础知识
元器件基础知识
电子元器件
随着电子技术及其应用领域的迅速发展，所用的元器件种类日益增多，学习和掌握常用元器件的性能、用途、质量判别方法，对提高电气设备的装配质量及可靠性将起重要的保证作用。
电阻器、电容器、电感器、二极管、三极管、集成电路等都是电子电路常用的器件。
第一节 电阻器
电阻器是用电阻率较大的材料（碳或镍铬合金等）制成。
它在电路中起着限流、分压的作用。
一、电阻器的分类
电阻器在电子产品中是必不可少、使用最多的元器件。
它的种类很多，常见的有下列几种分类。
1、按阻值可否调节分
有固定电阻器、可变电阻器两大类。
固定电阻器是指电阻值不能调节的电阻器；可变电阻器是指阻值在某个范围内可调节的电阻器，如电位器。
2、按制造材料分
有线绕电阻、非线绕电阻。
3、按用途分
有通用型、高阻型、高压型、高频无感型。
除以上三种分类方法以外，还有按结构形状及引出线进行分类。
二、部分电阻器外形及图形符号
1、电阻器外形：
2、图形符号：
三、电阻器的主要技术参数
标称阻值、允许误差和额定功率是固定电阻器的主要参数。
电阻器标有的电阻数值，这就是电阻器的阻值标称值。
电阻标称值往往和它的实际值不完全相符，实际值和标称值的差值除以标称值所得的百分数，就是电阻的误差，它反映了电阻器的精密程度。
下表为常用电阻器的误差等级。
允许误差
±0.5% ±1% ±2%
±5% ±10% ±20%
级 别
005 01 02
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
类 型
精密型
普通型
额定功率是指电阻器长时间正常工作下能承受最大功率。
额定功率较大的电阻器，一般都将额定功率直接印在电阻器上。
额定功率较小的电阻器，可以从它的几何尺寸和表面面积上看出，如下表：
外 形 尺 寸
额定功率
碳膜电阻
金属膜电阻
L
D
L
D
0.06W
8
2.5
0.125W
12
2.5
7
2.2
0.25W
15
4.5
8
2.6
0.5W
25
4.5
10.8
4.2
1W
28
6
13
6.6
2W
46
8
18.5
8.6
四、电阻器主要技术参数的标志方法
电阻器的标称阻值和误差通常都标在电阻器上，标志方法有以下几种。
1、直标法
直标法是用数字和文字符号在电阻器上直接标出主要参数的标志方法，如图1-1所示，电阻值为5.1KΩ，误差为±5%。
若电阻器上未标注误差，则均为±20%。
2、文字符号法
文字符号法是用数字和文字符号或两者有规律的组合，在电阻器上标志出主要参数的标志方法。
具体方法为：
阻值的整数部分写在阻值单位标志符号的前面，阻值的小数部分写在阻值单位标志符号的后面，如图1-2所示，阻值为4.7KΩ。
5.1KΩ±5% 4K7
图1-1 图1-2
标志符号规定如下：
欧姆（1欧姆）,用Ω表示，例：
0.1Ω标志为Ω1
千欧（103欧姆）,用K表示，例：
1KΩ标志为1K
兆欧（106欧姆）,用M表示，例：
2.2M标志为2M2
千兆欧（109欧姆）,用G表示，例：
5.6×109标志为5G6
兆兆欧（1012欧姆）,用T表示，例：
4.7×1012标志为4T7
3、色标法
色标法是按规定的颜色在电阻器上标志主要参数的标志方法。
具体规定参见下表：
颜色
有效数字
乘数
允许误差%
棕色
1
101
±1
红色
2
102
±2
橙色
3
103
黄色
4
104
绿色
5
105
±0.5
蓝色
6
106
±0.25
紫色
7
107
±0.1
灰色
8
108
白色
9
109
黑色
0
100
银色
10-2
±10
金色
10-1
±5
例：
四环电阻，见图1-3，该电阻的标称阻值为2K，允许误差为±5%。
五环电阻，见图1-4，该电阻的标称阻值为2.4K，允许误差为±1%。
4、数码表示法
数码表示法是在电阻器上用三位数码表示标称值的标志方法。
数码从左至右，第一、二位为有效值，第三位为乘数，即零的个数，单位为Ω。
误差通常采用文字符号J（±5%）、K（±10%）表示。
图1-5 图1-6
例：
图1-5，该电阻的标称阻值为2.2K，允许误差为±5%。
图1-6，该电阻的标称阻值为10K，允许误差为±10%。
五、电阻器的好坏判别
目测可以看出引线折断或电阻体烧坏等外表故障；用万用表欧姆档或其他专用测试仪器可测试电阻器内部是否良好及阻值是否正常。
第二节 电容器
一、电容器的分类
1、按电容量可否变化分
固定式及可变式两大类
2、按介质分
有空气介质电容器、油浸电容器及固体介质（云母、纸介、陶瓷、薄膜等）电容器。
3、按极性分
有极性电容器和无极性电容器
二、部分电容器外形及图形符号
1、电容器外形
2、图形符号：
三、电容器的主要技术参数
标称容量、允许误差、额定电压、绝缘电阻、漏电流、损耗因数及时间常数均为电容器的主要技术参数。
1、电容器的标称容量及允许误差的基本含义与电阻器一样。
电容的基本单位为F（法拉），即在1V电压下电容器所能储存的电量为1库伦，其容量即为1F。
用F作单位在应用中往往太大，所以常用毫法（mF）、微法（µF）、纳法（nF）和皮法（pF）。
其关系如下：
1F=103mF
1mF=103µF
1µF=103nF
1nF=103pF
2、额定电压
额定电压通常也称作耐压，是指在允许的环境温度范围内，电容长时间正常工作施加的最大电压有效值。
电容的额定电压通常是指直流工作电压。
3、绝缘电阻及漏电流
电容介质不可能绝对不导电，当电容加上直流电压时，电容器会有漏电流产生。
若漏电流太大，电容器就会发热损坏。
除电解电容外，其他电容器的漏电流是极小的，故用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能；而电解电容因漏电较大，故用漏电流表示其绝缘性能（与容量成正比）。
4、损耗因数
电容的损耗因数指有功损耗与无功损耗功率之比。
通常电容在电场作用下，其储存或传递的一部份电能会因介质漏电及极化作用而变为有害的热能，这部分发热消耗的能量就是电容的损耗，显然损耗越大，发热也越严重。
四、电容器参数的标志方法
电容器的标称容量及允许误差一般标在电容器上，其方法可分为以下几种。
1、直标法
直标法是将电容器的标称容量及允许误差直接标在电容器上的标志方法。
如图2-1，CXJD为型号，2200µF为标称容量，±10%为允许误差，02.5为生产时间。
2、文字符号法
标称容量的整数部分通常写在容量单位标志符号的前面，小数部分写在容量单位标志符号的后面。
如3.3µF标为3µ3，2.2pF标为2p2。
3、数码表示法
电容器的数码表示法与电阻器的相同。
但电容器数码表示法中，其单位为pF。
如0.1µF标为104。
四、电容器的用途
电容器的基本功能是储存电荷，它在电子电气电路中使用十分广泛，主要用用交流耦合、隔离直流、滤波、交流或脉冲旁路及选频等。
图6-3所接电容C是常见的滤波电容，下面以图6-2（b）的波形图来说明电容滤波的工作过程。
当u在第一个半周的 上升时，电容C开始充电；而u在第一个半周的 下降时，电容C经负载RL放电；在第二个半周时，电容也是经过充电—放电过程，如此电容循环重复进行。
其放电曲线如图6-2（b）虚线所示。
从图6-2（b）可以看出，经电容滤波后的输出曲线平滑了许多，在一定负载时，电容量越大时，输出曲线越平滑。
第三节 电感器
电感器也叫电感线圈，是利用电磁感应原理制成的，电感器在电路中起着阻流、变压、传送信号等作用。
一、电感器的分类
电感器的种类很多，而且分类标准也不一样，通常按电感量变化情况分为固定电感器、可变电感器、微调电感器等；按电感器线圈芯性质又可分为空芯电感器、磁芯电感器、铜芯电感器等；按绕制特点可分为单层电感器、多层电感器、蜂房电感器等。
二、部分电感器外形及图形符号
1、电感器外形
2、电感器图形符号
三、电感器的主要技术参数
1、电感量L
电感量L 也称为自感系数，是表示电感元件自感应能力的一种物理量。
当通过一个线圈的磁通发生变化时，线圈中便会产生电势，这是电磁感应现象。
所产生的电势称感应电势，电势大小正比于磁通变化的速度和线圈匝数。
电感量的基本单位为H（亨），实际应有中还有毫亨（mH），微亨（µH），其换算关系如下：
1H=103mh=106µH。
2、感抗XL
感抗在电感元件参数表上一般查不到，但它与电感量、品质因数Q等参数密切相关，由于电感线圈的自感电势总是阻止线圈中电流变化，故线圈对交流电有阻力作用，阻力大小就用感抗XL表示。
XL与线圈电感量L和交流电频率ƒ成正比，计算公式为：
XL=2πƒL。
（式中XL单位为Ω，ƒ单位为HZ，L单位为H）不难看出，线圈通过低频电流时XL小，通过直流电时XL为零，此时仅线圈的直流电阻起阻力作用（电感线圈的直流电阻很小，可近似短路）。
通过高频电流时XL很大，若L也大，则可看作开路。
3、品质因素
品质因素也称作Q值或优值，即线圈在一定频率的交流电压下工作时感抗和等效损耗电阻之比。
4、直流电阻
即电感受线圈自身的直流电阻，可用万用表直接测得。
5、额定电流
指电感器长时间正常工作允许通过电感元件的最大直流电流值。
四、电感器的标志方法
电感器的标志方法与电阻器、电容器的标志方法相同，有直标法、文字符号法和色标法。
常用的固定电感器过去多彩色码标志法，统称为色码电感器。
目前我国生产的固定电感器有的采用色码标志法，有的在电感器上直接标出数值，即直标法。
在一些电子机器中，如电视机，广泛使用的是固定电感器。
它是将铜线绕在磁芯上。
然后再用环氧树脂或塑料封装起来，这种电感器的特点是体积小，重量轻、结构牢固、使用方便。
第四节 变压器
将两个线圈靠近放在一起，当一个线圈线中的电流变化时，穿过另一线圈的磁通会发生相应的变化，从而使该线圈中出现感应电势，这就是互感现象。
变压器就是根据互感原理制成的。
一、变压器的分类
变压器按线圈之间耦合材料分，有空芯变压器、磁芯变压器、铁芯变压器。
按工作频率分，有高频变压器、中频变压器、低频变压器、脉冲变压器。
如收音机的磁性天线，它是高频变压器；在收音机的中频放大级，用的是中频变压器，俗称“中周”；低频变压器种类较多，有电源变压器、输入变压器等；电视机的行输出变压器，也称“高压包”，它是一种脉冲变压器。
二、变压器图形符号
三、变压器主要技术参数
变压比、额定功率、温升、效率、空载电流、绝缘电阻均为变压器的主要技术参数。
1、变压比n
变压比n是指变压器初级电压U1与次级电压U2的比值，或初级线圈匝数N1与次级线圈匝数N2的比值。
初、次级线圈匝数和电压有以下关系：
变压器的电压与电流有以下的关系：
式中I1为初级绕组电流；I2为次级绕组电流
变压器的匝数与电流有以下关系：
上三式中当n＞1时，则为降压变压器，反之则为升压变压器。
n=1时通常用为隔离变压器。
2、额定功率P
指在规定的频率和电压中变压器能长时间工作而不超过规定温升的输出功率。
额定功率的容量单位用VA（伏安）表示。
3、温升
指变压器在满负荷工作时线圈温度上升后的稳定值与工作环境温度的差值，温升是影响变压器绝缘性能的原因之一。
4、效率η
指变压器输出功率与输入功率的比值。
即 式中PO为变压器的输出功率，PI为变压器的输入功率。
因为在电路中存在损耗的缘故，变压器的效率总是小于100%。
5、空载电流
次级负载为零（开路）时，初级中仍有一定的电流，这部分电流叫空载电流。
6、绝缘电阻
变压器各绕组间，绕组与铁心之间并不是理想的绝缘。
当外加电压时，会有漏电流存在，这是由于变压器存在绝缘电阻所致。
绝缘电阻越大漏电流越小；变压器的绝缘电阻过低，可能会使仪器和设备机壳带电，造成对仪器、设备或人身危害。
四、变压器的用途
变压器在电路中电压变换、电流变换、传递功率、阻抗匹配、或阻抗变换等用途，下面只简单介绍电压变换及阻抗匹配。
1、电压变换
通常我们把接电源的线圈称作初级线圈或原边线圈，把在互感作用下产生感应电势的线圈称队 作次级线圈或副边线圈，一个变压器一般只有一
个初级线圈，但次级线圈可有一个或多个。
左图初、次级线圈均为一个，N1为
初级线圈匝数，N2为次级线圈匝数，RL为负载；U1为初级线圈交流电压，U2
为次级线圈产生的感应电压，那么 ,由此可见，次级电压与初级线圈
匝数成反比关系。
即N1＞N2时，U2＜U1，这是一个降压变压器；当N1＜N2时，
U2＞U1，这是一个升压变压器。
若变压器有多个次级线圈，则每个次级线圈与
初级线圈的匝数比均可能不同，所以一个变压器可以同时存在升压和降压的可能。
2、阻抗匹配
在电子线路的信号源和负载阻抗不匹配时，需用匹配元件或电路插在两者之间以实现阻抗匹配，变压器的阻抗变换功能便在此发挥作用。
如左图所示，变压器的次级线圈负载为RL，次级线圈的等效负载阻抗即从变压器A、B端看
进去的等效阻抗为RL＇，等效阻抗RL＇与变压比、负载的关系为：
RL＇=n2×RL。
第五节 继电器
继电器是自动控制电路中常用的电子元件，它是用较小的电流来控制较大电流的自动开关，在电路中起着自动操作、自动调节、安全保护等作用。
一、继电器的分类
继电器的种类很多，常用的有电磁式和干簧式，通常将继电器分为直流、交流、舌簧及时间继电器四种。
二、主要技术参数
1、额定工作电压或额定工作电流
这是指继电器正常工作时线圈需要的电压或电流值。
2、吸合电压或电流
指继电器能够产生吸合动作的最小电压或电流。
在一般情况下吸合电压为额定工作电压的75%左右。
3、释放电压或电流
继电器线圈两端的电压减小到一定数值时，继电器就从吸合状态转换到释放状态。
4、接点负荷
指接点的负载能力。
如继电器接点负载是DC28V/10A或AC220V/5A，它表示这种继电器的接点在工作时的电压和电流值不应超过该值，否则会使接点损坏。
三、干簧管继电器
干簧管全称“干式舌簧开关管”，是由两片导磁又导电的材料做成的簧片平
行地封入充有惰性气体（如氮气、氦气等）的玻璃
管中组成开关元件，重叠并留有一定间隙以构成接
点，左图为干簧管的外形示意图。
干簧管的工作原理为：
当永久磁铁靠近干簧管或者由绕在干簧管上的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时，簧片的接点部分就被磁化感应出极性相反的磁极，如下图所示，异名的磁极相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的弹力时，接点就会吸合；当磁力减小到一定值时，接点又会被簧片的弹力弹开。
干簧管有以下几个优缺点：
①接点与大气隔绝，管内又充有惰性气体，这样就大大减少了接点在开、闭过程中由于接点火花而引起的接点氧化和碳化。
并防止外界有机蒸气和灰尘等杂质对接点的侵蚀。
②簧片细而短，有较高的固有频率，提高了接点的通断速度，其开关速度要比一般的电磁继电器快5~10倍
③体积小，重量轻。
④其缺点是开关容量小，接点易产生抖动以及接点接触电阻大。
第六节 二极管
要真正认识二极管，必须先了解什么是半导体。
导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体。
例如，锗（Ge-32）、硅（Si-14）、硒（Se-34）及金属的氧化物。
硅或锗等半导体材料被制成单晶时，其原子排列就变成非常整齐的晶体结构，这种纯单晶半导体称为本征半导体。
本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力仍然很低。
如果在本征半导体中掺入微量的杂质，其导电能力将大大地提高。
由于掺入的杂质不同，这种掺杂半导体可分为N型和P型半导
体两大类：
一类是在硅或锗的晶体中掺入少量五价元素，如磷（P-15），半导体中自由电子数远大于空穴数，即自由电子成为“多数载流子”。
而空穴成为“少数载流子”。
也就是说这种杂质半导体以自由电子导电为主，所以称为N型（电子型）半导体。
另一类是在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素，如硼（B-5），半导体中空穴数远大于电子数，即空穴成为“多数载流子”。
而电子成为“少数载流子”。
也就是说这种杂质半导体以空穴导电为主，所以称为P型（空穴型）半导体。
在一块完整的晶片上，用不同的掺杂工艺使晶体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，那么在两者的交界处就会形成PN结。
PN结是构成二极管、三极管、场效应管等半导体器件的基础。
当PN结两端加正向电压（即P侧接电源的正极，N侧接电源的负极），此时PN结呈现的电阻很低，正向电流大（PN结处于导通状态）；当PN结两端加反向电压（即P侧接电源的负极，N侧接电源的正极），此时PN结呈现很高的电阻，反向电流微弱（PN结处于截止状态），这就是PN结的单向导电性
二极管是由一个PN结，加上引线、接触电极和管壳而构成。
下面我们就各种二极管进行简单的介绍。
一、二极管的分类
1、按用途分
有整流二极管、稳压二极管、检波二极管、发光二极管、开关二极管、光电二极管等。
2、按制造材料分
有锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等。
3、按制造工艺分
有点接触二极管和面接触二极管两种。
4、按工作原理分
有变容二极管、雪崩二极管、齐纳二极管等。
二、部分二极管外形及图形符号
1、二极管外形
2、二极管图形符号
三、整流二极管
1、伏安特性：
指加在二极管两端的电压与流过二极管的电流关系曲线，这个曲线可分为正向特性和反向特性两个部分。
如图6-1所示
图6-1 图6-2
正向特性
当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过。
但正向电压很低时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，此时正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。
当正向电压超过一定数值（硅管约0.5V，锗管约0.3）后，二极管电阻变得很小，电流增长很快。
这个电压往往称死区电压或阀门电压。
反向特性
二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流，反向电流有两个特性：
一是随温度的增加而增长很快；二是在反向电压不超过一定范围时，反向电流不随反向电压改变而达到饱和，故这个电流IBO称为反向饱和电流。
当加在二极管两端电压到达一定值时，反向电流急剧增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为电击穿，这个电压称为反向击穿电压。
二极管因电击穿而造成管子损坏是永久性的。
2、主要参数
最大整流电流IOM
最大整流电流是指二极管能够允许通过的最大正向平均电流值。
当电流超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏。
反向击穿电压URB与最高反向工作电压URM
URB是指二极管反向击穿时的电压值，击穿后其反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏。
通常手册上给出的最高反向工作URM电压约为反向击穿电压的一半或三分之二，以确保二极管安全运行。
最大反向电流IRM
IRM指在二极管上加最高反向工作电压时的反向电流值。
IRM愈小，则管子的单向导电性能愈好。
3、整流二极管的应用
利用二极管的单向导电性将交流电转换为单向脉动直流电的电路，称为整流电路，图6-3所示。
此时的二极管可看成开关元件，即所谓理想二极管。
图6-3
设变压器副边交流电压为：
u（t）=Usinωt式中U为变压器副边电压的有效值，波形如图6-2（a）所示，在ωt=0～π期间，u处于正半周，变压器副边的极性为上正下负，即a点的电位高于b点，因此，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，这时负载电阻RL上得到一个半波电压；在ωt=π～2π期间，u处于负半周，变压器副边的极性为下正上负，即b点的电位高于a点，二极管D2和D4导通，D1和D3截止，在RL上得到另一个半波电压，并且在两个半周内流经R的电流方向是一致的。
由此可见，当电源电压交变一周时，在RL上得到的脉动电压大小为：
U0=0.9U,其波形如图6-2（b）所示。
四、稳压二极管
稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，由于它在电路中能起稳定电压的作用，故称稳压管，稳压管在电路中的作用如图6-3虚线部分。
其外形与普通二极管类似，但其伏安特性不同于普通二极管就在于它的反向特性很陡，如图6-4所示。
稳压管是工作在反向击穿区，当反向电压在击穿电压UZ范围内变化时，反向电流很微弱，当反向电压增大到击穿电压UZ时，稳压管反向击穿，反向电流突然剧增，此后电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小，利用这一特性，稳压管在电路中起到稳压作用，但稳压管与一般二极管不同，它的反向击穿是可逆的，就是说去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，稳压管会发生热击穿而损坏。
图6-4 图7-1 图7-2
五、发光二极管
发光二极管是采用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成的，以直接将电能转变为光能的发光器件。
与普通二极管一样也由PN结构成，同样具有单向导电性，但发光二极管不是用它的单向导电性，而是让它发光作指示（显示）器件。
发光二极管以功耗低、体积小、响应速度快、抗震动、寿命长等优点而广泛用作指示灯等方面。
发光二极管可按制造材料、发光色别、封装形式和外形等分成许多种类，发光二极管的外形如上图所示。
目前较常用的是圆形、方形等发光管，发光颜色以红、绿、黄等单色为主，也有一些能发出两、三种色光的发光管。
右手 发光二极管的基本应用电路如左图所示。
U为电
源电压，R为限流电阻，I为流过发光二极管的电流。
发光二极管为正向电流驱动器件，流过发光二极管的
电流不可超过管子所允许的极限值，否则发光二极管会因此而烧毁。
六、瞬态电压抑制二极管（TVS管）
瞬态电压抑制二极管常称为防雷管，是一种安全保护器件。
这种器件在电路系统中起到分流、箝位作用，可以有效降低由于雷电、电路中开关通断时产生的高压脉冲，避免雷电、高压脉冲损坏其它器件。
瞬态电压抑制二极管有单向、双向两种。
单向的图形符号与稳压管相似，左图为双向瞬态电压抑制二极管的图形符号与
应用电路。
当输入端有高压浪涌脉冲引入时，不论脉冲方向如何，TVS管能快速进入击穿状态，对输入电压进行箝位。
下表为我司常用的双向TVS管参数：
型号
截止电压
（V）
击穿电压
（Vmin）
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