項目1電路基礎元件的使用

任務2認識電阻和電容任務描述認識電阻和電容是學習電路基礎知識的重要一步。電阻是指電路中對電流產(chǎn)生阻礙作用的元件，電容是指電路中儲存電荷的元件。在電路中，電阻和電容分別扮演著不同的角色，了解它們的工作原理和特性對于理解電路的功能至關重要。同時，在實際應用中我們也需要根據(jù)具體場景選擇不同類型和參數(shù)的電阻和電容以滿足設計需求。電阻和電容在隔離控制器電路的設計中大量使用，認識并掌握其作用是設計隔離控制器電路的前提。知識儲備

一、面包板的使用電阻，是一種擁有兩個引腳的限流元件，在電路中有分壓、分流的作用，常用字母R表示，單位為歐姆（Ω）。接入電路中的電阻可以限制通過該支路的電流大小，其阻值一般固定。電路中針對電阻阻值范圍不同，可以有不同的單位標號，如千歐和兆歐（kΩ、MΩ），其換算如下：1000Ω=1kΩ1000kΩ=1MΩ一、面包板的使用電阻兩端的電壓與電流有一定的函數(shù)關系。理想狀態(tài)下，通過電阻器的電流與瞬間電壓成正比，即電阻器是線性的。但在實際應用中，阻值一般與溫度、材料、長度、橫截面積有關。電阻溫度系數(shù)則是用于度量阻值受溫度影響的物理量，主要定義為溫度每升高1℃，所增加的阻值與原阻值的比率，單位為ppm/℃。電阻器可以將電能轉(zhuǎn)為其他形式的能量，最主要的是熱能。在現(xiàn)實生活中，燈泡、電熱絲等都為電阻器元件。一、面包板的使用實際電路中常用的電阻可分為兩類：固定電阻與可變電阻。前者阻值不能改變，后者則可以變化。電路中最常見的固定電阻包括碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻、水泥電阻、貼片電阻等，功率從1/16W到幾十W不等，甚至更大。一、面包板的使用圖為電路中的電阻圖形符號，其擁有兩個引腳，無正負極。使用R加數(shù)字代表該電阻在電路中的編號，使用數(shù)字加單位表示阻值。圖(a)為電阻R1，其阻值為10Ω；圖(b)為電阻R2,其阻值為1kΩ。（a）

（b）一、面包板的使用可變電阻的電路圖符號如圖所示。圖中2號引腳為分壓端，實際物理器件上往往對應可調(diào)旋鈕的觸點，調(diào)節(jié)旋鈕可實現(xiàn)1、2和2、3之間電壓的調(diào)整。注意：這里電阻元件的電路符號并非唯一形式，美國標準中電阻往往采用折線的形式，可變電阻更是有多種畫法。二、電阻的識別實際電路中，電阻有多種樣式，對于普通固定電阻，最常用的有直插的色環(huán)電阻和貼片電阻。電路中所用電阻功率不同，其封裝外形也有差別。色環(huán)電阻往往用彩色的標記線給出實際的阻值，貼片電阻往往用絲印標記給出阻值。二、電阻的識別由于成本和技術的限制，在電阻的制造過程中，電阻上所標示的阻值與實際阻值會存在一定的誤差，電阻的精度決定了誤差。精度高的電阻，其制造難度、成本、售價等方面都會高于精度較低的電阻。在應用中，我們需要根據(jù)實際需求選擇合適的電阻，而有的電路受電阻允許誤差的影響較小，而有的電路則要求電阻精度較高。電阻的精度也會反映在色環(huán)電阻的標記線以及貼片電阻的絲印上。無論是色環(huán)電阻還是貼片電阻，都有其特有的識別方法。1.色環(huán)電阻的識別小功率電阻體上都標有色環(huán)，這些色環(huán)代表不同的阻值和誤差。常見的有兩種表示方法：（1）四色環(huán)，（2）五色環(huán)。四色環(huán)電阻如圖所示。1.色環(huán)電阻的識別表1-1為四色環(huán)的具體含義，前兩道色環(huán)代表有效位，第三道是阻值倍率，用10的N次方表示，第四環(huán)表示誤差。例如，某一電阻的色環(huán)為“紅、紅、棕、金”，紅代表2，棕代表101，金代表±5%，則其阻值為22×101Ω=220Ω，該阻值誤差范圍為±5%。1.色環(huán)電阻的識別表1-1四色環(huán)電阻的表示方法色環(huán)顏色第一道色環(huán)第二道色環(huán)第三道色環(huán)第四道色環(huán)黑00100#棕11101#紅22102#橙33103#黃44104#綠55105#藍66106#紫77107#灰88108#白99109#金###±5%銀###±10%1.色環(huán)電阻的識別五色環(huán)電阻與四色環(huán)電阻的主要區(qū)別在于有效位數(shù)不同，因此精度更加準確。五色環(huán)電阻如圖所示。五色環(huán)電阻有3位有效位電阻，見表1-2。例如，某一電阻的色環(huán)為“棕、綠、黑、橙、棕”，第一個棕代表1、綠代表5、黑代表0、橙代表103、最后一個棕代表±1%，則其阻值為150×103Ω=150kΩ=150’000Ω，誤差范圍為±1%。1.色環(huán)電阻的識別表1-2五色環(huán)電阻的表示方法色環(huán)顏色第一道色環(huán)第二道色環(huán)第三道色環(huán)第四道色環(huán)第五道色環(huán)黑000100#棕111101±1%紅222102±2%橙333103#黃444104#綠555105±0.5%藍666106±0.25%紫777107±0.1%灰888108

白999109#金###10-1#銀###10-2#1.色環(huán)電阻的識別電阻雖然沒有極性之分，但其阻值是唯一的，因此其色環(huán)的讀數(shù)方向也是唯一的。廠商在設計時，盡量考慮了色環(huán)順序的唯一性，以免讀數(shù)出現(xiàn)歧義。例如在四色環(huán)電阻中，金色與銀色僅代表誤差范圍，其位置必然在結(jié)尾。除此以外，也往往用色環(huán)間距的不同來明確讀數(shù)方向。但是對于小功率、小體積電阻來說，色環(huán)排布密集，且顏色色差有時不明顯，讀數(shù)十分困難。因此建議在焊接色環(huán)電阻時可以使用萬用表進行測量，以免因阻值讀數(shù)錯誤而影響電路。2.貼片電阻的識別貼片電阻具有體積小、重量輕、抗震性強等優(yōu)點。貼片電阻有多種形態(tài)，如矩形兩腳的片狀電阻和圓柱兩腳的色環(huán)電阻，多腳的矩形排阻也較為常見。貼片電阻的阻值往往會在電阻體上標明，其有三種標稱法：數(shù)字索位標稱法、色環(huán)標稱法和數(shù)字代碼與字母混合標稱法。2.貼片電阻的識別數(shù)字索位標稱法常見于矩形片狀電阻，如圖所示，其用多位數(shù)字來標明阻值。例如以三位數(shù)字標注的電阻，第一位和第二位為有效數(shù)字，第三位代表加“0”的個數(shù)，如“161”表示160Ω，“122”表示1200Ω。若阻值不是整數(shù)，則使用“R”代表小數(shù)點，并占用一個有效位，如“3R6”表示3.6Ω，“R36”則表示0.36Ω。如果電阻體上是四位數(shù)字，則前三位代表有效位，第四位表示倍率，如“1502”表示15000=15kΩ。3.可變電阻器的識別可變電阻器又稱為可調(diào)電阻器，即阻值可調(diào)整，在一些有特殊需求的電路中經(jīng)常會使用到，常用大寫字母RP表示，其電路圖形如圖所示。3.可變電阻器的識別可變電阻種類、款式眾多，圖為臥式可變電阻，使用螺絲刀插入頂部十字型槽便可調(diào)整阻值。這類可變電阻有3個引腳，左右兩端引腳內(nèi)部連接是定片，進而兩端的阻值是固定的，但是中間引腳在內(nèi)部連接的為動片，使用螺絲刀轉(zhuǎn)動十字型槽時，內(nèi)部的動片滑動，中間引腳與左右兩邊引腳之間的電阻阻值就會相應變化，實現(xiàn)阻值和電壓的分配。3.可變電阻器的識別可變電阻的標稱值一般會直接標示在阻體上，使用三位數(shù)標示，前兩位標示有效位，第三位表示倍率，即乘以10的N次方，單位為Ω。例如可變電阻實物上標為“103”，表示10kΩ，如為“203”，則代表20’000Ω，即20kΩ。一般來說，使用可變電阻器改變阻值,可以讓電路按要求進行功能調(diào)整，而有些電路在調(diào)整達到需求后，就不會再頻繁進行調(diào)整。與其功能相似的還有電位器，電位器結(jié)構更加堅固，調(diào)整頻率也更高，常見的音響音量、音調(diào)的調(diào)整等，就是使用電位器實現(xiàn)的。一種常見的變阻器應用場合是在DC-DC供電電路中,往往使用電位器來調(diào)整模塊的輸出電壓值，以方便用戶應用；而有些電路板則通過計算直接用固定電阻代替變阻器，以實現(xiàn)確定的電壓供電輸出。知識補充電阻功率是指電阻器能夠承受的最大功率，它通常以瓦特（W）為單位來表示。當電阻器通過電流時，會產(chǎn)生熱量。如果這個熱量超過了電阻器所能承受的極限，電阻器就會變熱、燒毀甚至損壞。因此，一般情況下，我們要選擇功率比實際需要稍大的電阻器，以保證其在長時間使用中不會因為溫度升高而導致出現(xiàn)故障。常用的電阻器功率規(guī)格有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等，具體選擇應根據(jù)電路實際需求來決定。三、電容簡介電容器是電路中一類重要的原件，常用字母C表示，單位為法拉（F）。其主要功能為存儲電荷，即存儲能量，“通交流、隔直流”是其重要特性，它能根據(jù)交流信號頻率的不同而改變?nèi)菘埂ｋ娙萜鞯闹饕猛居幸韵氯N。1.儲能用途當瞬間切斷電源或IC（IntegratedCircuit）芯片所耗電流過快導致負載電流變化較大時，易造成IC故障。為了防止這種情況的發(fā)生，在IC供電引腳接入電容儲能，便可暫時保持電源線電壓的穩(wěn)定，以避免出現(xiàn)故障，如圖所示。2.去耦用途電源電路中，為提供穩(wěn)定的直流電壓，除了使用稍大的電容來進行濾波，還可以利用交流電流的特點，使用較小的電容，利用其充放電速度快的特點去除電源線外部感應性噪聲和高速驅(qū)動電路引發(fā)的高頻噪聲，如圖1-21所示。3.耦合用途利用電容串聯(lián)時通交流隔直流的特性，可以去除前段電路的直流偏置電壓，向后段電路僅傳送交流信號電壓，常用于音頻電路，如圖所示。3.耦合用途電路中針對電容容值范圍不同，可以有不同的單位標號，如微法、納法、皮法等（μF、nF、pF），其換算如下：1F=1’000’000μF1μF=1’000nF1nF=1’000pF四、電容的識別電容器的種類眾多，規(guī)格不一。常用的直插形態(tài)電容有瓷介電容、電解電容、獨石電容等，貼片形態(tài)的電容有片式陶瓷電容、鉭電容等。電容還分為無極性電容和極性電容。理想的電容本來是沒有極性的，但是在實際應用中，為了獲得大容量，就使用了某些特殊的材料和結(jié)構，這就導致了實際的電容有些是有極性的。有極性的電容實際上是一個只能按一個電壓方向使用的電容。而無極性的電容，則兩個電壓方向都能使用。實際上，使用無極性的電容代替有極性的電容是完全可以的，只要容量、工作電壓、體積等能滿足要求即可。這里分別就無極性電容和極性電容列舉一些常見電容元件，說明其形態(tài)和參數(shù)標注。1.無極性容器無極性電容往往不能做得很大。實際應用中，低于1μF的低值電容大多數(shù)是無極性的，但是有1μF或更大電容值的電容大多數(shù)是有正負極的。無極性電容在電路中的符號如圖所示。1.無極性容器瓷介電容是一種常見的直插型無極性電容，又稱為瓷片電容，其將高介電常數(shù)的陶瓷材料擠壓成圓片作為介質(zhì)，通過燒滲方式將銀鍍于陶瓷片上并將其作為電極，兩個引腳連接電極，且不區(qū)分極性，如圖所示。瓷片電容具有性能穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點，適用于高穩(wěn)定的震蕩電路，但其容量小，偏差較大。1.無極性容器瓷片電容的容量多采用三位數(shù)字來表示，與可變電阻類似，前兩位代表有效數(shù)字，第三位代表倍率，即乘以10的N次方，單位為pF，常簡化為p。但對于容量在100pF以下的瓷片電容，一般僅用兩位數(shù)字表示。例如，瓷片電容印有“104”，則代表電容容量有100’000pF，即0.1μF；若印有“21”，則表示電容容量為21pF。1.無極性容器注意：瓷片電容必須在低于額定電壓的情況下工作，且應留有余量。普通瓷片電容一般不會在元件上標示耐壓值，但在外包裝袋上會附有說明耐壓值標簽，多為50V，一些高耐壓的瓷片電容才會直接在元件上標示耐壓值。除此以外，可用于高頻電路的瓷片電容常在頂部刷有黑漆。1.無極性容器無極性電容中，貼片電容也較為常用。常見的無極性貼片電容如圖1-25所示。無極性貼片電容往往不會在表面印刷容值，但在其所在的半導體貼片載盤上會標注容值、封裝、耐壓等參數(shù)，如圖1-26所示。1206是指電容的封裝尺寸，68nF是其電容值，250V是其耐壓值。圖1-25無極性貼片電容圖1-26整盤貼片電容2.極性電容由于材料所限，較大的電容往往只能是極性電容，其在電路中的符號如圖1-27所示，符號上標有“+“，表明該端為正極，另一端為負極。鋁電解電容是較為常見的極性電容，應用廣泛。直插封裝的電解電容外形為圓柱形，有兩個引腳，一長一短，如圖1-28所示。電解電容需要區(qū)分極性，長引腳為正極，短引腳為負極。除此以外，在外殼上標有“-”，代表該引腳為負極。圖1-27極性電容符號圖1-28直插電解電容2.極性電容還有貼片鋁殼電解電容，也是常用的電解電容，在使用時采用貼片焊接工藝，電容無縫貼合在電路板上，電路板背面沒有任何焊點。貼片的電解電容如圖1-29所示，帶黑色標記的為電容負極。除了直插和貼片的電解電容外，體積較小的貼片鉭電容也是較為常用的極性電容，常用在一些高密度組裝且內(nèi)部空間狹小的產(chǎn)品中。鉭電容的外形是一個長方體，如圖1-30所示，帶有條紋的一極是正極，另一極是負極。圖1-29貼片鋁殼電解電容圖1-30鉭電容2.極性電容鉭電容在其表面印有容值等參數(shù)，具體參數(shù)含義如圖1-31所示。圖的左邊條紋表示電容正極，絲印中上面一行中的227就是容值，表示22×107pF，A表示其耐壓值為10V，這是鉭電容最重要的參數(shù)。此外，鉭電容也往往用A、B、C、D、E、Y、V、J、P等來表示其封裝尺寸，具體可參考廠商資料。五、理論計算我們設計電路，以實現(xiàn)一些功能需求。這些功能往往是電荷能量的輸送和分配，或者是信號的傳輸和處理，這些都要通過電壓、電流和電功率來表征和實現(xiàn)。在電路分析中，人們關心電流、電壓和電功率等物理量，這些物理量之間的關系從微觀來看較為復雜。這里，我們只從應用的角度簡單說明這些物理量之間的關系，不涉及一些基礎定理的物理和數(shù)學的分析、推導。1.歐姆定律的使用我們以發(fā)光二極管的使用為例來說明歐姆定律。發(fā)光二極管簡稱LED，是一種常用的發(fā)光器件，在元件兩端施加2V電壓即可釋放能量。1.歐姆定律的使用如圖1-32所示，一節(jié)干電池的電壓為1.5V，電壓不足導致LED無法發(fā)光；若串聯(lián)兩節(jié)干電池，電壓達到3V，經(jīng)過LED的電流過大，會損壞LED；若在電路中串聯(lián)電阻，使得LED兩端達到最佳工作電壓，LED將正常發(fā)光，順利工作?？梢钥闯?，選擇合適的電阻阻值能使電路正常工作，而要多大的電阻，則需要運用歐姆定律來計算。1.歐姆定律的使用歐姆定律是指在同一電路中，經(jīng)過導體的電流與電壓成正比，與電阻成反比，三者的關系為：U=I×R（1-1）式中，U為電壓，R為阻值，I為電路中的電流。1.歐姆定律的使用這里假設通過LED的電流為20mA，求解電阻阻值的過程如下：（1）電池電壓為3V，LED兩端電壓為2V，則電阻兩端電壓為UR=U-ULED=3V-2V=1V。（2）電流單位換算：20mA=0.02A（3）電阻阻值R=U/I=1/0.02A=50Ω歐姆定律是電路分析中最常用的基本定理之一，其揭示了電路中一些最基礎的現(xiàn)象，電路中很多復雜計算都以此為基礎。2.消耗功率和額定功率電路設計中，對能量的計算要求非常高，電路的能耗、元件的選擇、功能的實現(xiàn)都需要對電路能量有較為準確的計算。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律，能量不會憑空出現(xiàn)，也不會憑空消失，但是不同能量之間可以相互轉(zhuǎn)移。同樣地，LED、電阻等器件工作時，需要消耗電能。消耗功率就是度量元件單位時間內(nèi)消耗了多少能量，常用大寫字母P表示，單位為瓦特（W）。在電路中，功率和電壓、電流的關系式為：

P=I×U（1-2）2.消耗功率和額定功率例如，有一個10Ω的電阻，電源電壓為20V，該電路中無其他元件，關于電阻消耗功率的求解步驟如下：（1）根據(jù)歐姆定律，經(jīng)過該電阻的電流為I=U/R=20/10=2(A)（2）根據(jù)公式計算可得電阻消耗功率P=2×20=40(W)我們可以根據(jù)歐姆定律推導得到一些常用的計算式，如：

P=I×U=I2×R=U2/R（1-3）當已知電阻兩端電壓、電阻、電流中任意兩個參數(shù)時，便可求出電阻的消耗功率。2.消耗功率和額定功率一般情況下，電阻會將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能。當消耗功率過高時，可能會導致電阻被熔斷。因此，電阻的額定功率就是其在正常工作時的功率。為了安全考慮，其他元件甚至電器都會標注明確的額定功率，當電路設計時選擇的所有器件都不超過其標稱的額定功率時，電路才能正常工作，否則有可能燒毀器件。3.電阻的串聯(lián)和并聯(lián)為了滿足設計需求，電路中元件的連接方式主要分為兩種：串聯(lián)和并聯(lián)。圖1-31為電阻的串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)是將元件首尾相連，而并聯(lián)則是首首連接，尾尾相連。當多個電阻器連接時，串聯(lián)和并聯(lián)的合并阻值會發(fā)生變化，合并阻值R的關系式如下：串聯(lián)：R=R1+R2+…+Rn并聯(lián)：1/R=1/R1+1/R2+…+1/Rn（a）串聯(lián)連接

（b）并聯(lián)連接3.電阻的串聯(lián)和并聯(lián)根據(jù)以上公式，可計算上圖中的合并電阻值：串聯(lián)：R總=R1+R2=20+60=80(Ω)并聯(lián)：1/R總=1/R3+1/R4=1/20+1/60=1/15所以R總=15Ω。通過該例可知，串聯(lián)電阻越多，合并電阻值越大；并聯(lián)電阻越多，合并電阻值反而越小。4.電容的串聯(lián)和并聯(lián)基本在所有電路中，都會使用電容，其作用也多種多樣，如濾波、充放電等。電容串聯(lián)或并聯(lián)時，效果也各不相同，多個電容組合使用時，其合并電容值如下：串聯(lián)時：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn并聯(lián)時：C=C1+C2+…+Cn（a）串聯(lián)連接

（b）并聯(lián)連接圖1-32電容的串聯(lián)和并聯(lián)4.電容的串聯(lián)和并聯(lián)與電阻不同，多個電容串聯(lián)時，容量為所有電容量的倒數(shù)和，而耐壓值為所有電容的耐壓和。如圖1-32(a)所示，C1的電容量為10μF，耐壓50V，C2的電容量為40μF，耐壓25V，則串聯(lián)后的電容值為8μF，耐壓75V。多個電容并聯(lián)后，容量是所有電容