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电子元器件在电路中的作用
电阻器在电路中的作用
电阻器在电路中用作分压器、分流器和负载电阻;它与电容器—起可以组成滤波器及延时电路、在电源电路或控制电路中用作取样电阻;在半导体管电路中用偏置电阻确定工作点;用电阻进行电路的阻抗匹配;用电阻进行降压或限流;在电源电路中作为去耦电阻使用,等等。
总之,电阻器在电路中的作用很多,电路无处不用电阻:
下面介绍一些电阻器的基本电路。
一.限流
为使通过用电器的电流不超过额定值或实际工作需要的规定值,以保证用电器的正常工作,通常可在电路中串联一个可变电阻。
当改变这个电阻的大小时,电流的大小也随之改变。
我们把这种可以限制电流大小的电阻叫做限流电阻。
如图1所示,在给蓄电池充电的电路中,为了使充电电流不超过规定值,可在电路中接入限流电阻。
在充电过程中,适当调节接入电阻的大小,可使电流的大小保持稳定。
再如在可调光台灯的电路中,为了控制灯泡的亮度,也可在电路中接入一个限流电阻,通过调节接入电阻的大小,来控制电路中电流的大小,从而控制灯泡的亮度。
二.分流
当在电路的干路上需同时接入几个额定电流不同的用电器时,可以在额定电流较小的用电器两端并联接入一个电阻,这个电阻的作用是“分流”。
例如:
有甲、乙两个灯泡,额定电流分别是0.2A和0.4A,显然两灯泡不能直接串联接入同一电路。
但若我们在甲灯两端并联一个合适的分流电阻则当开关S闭合时,甲、乙两灯便都能正常工作了。
再如,在缺电压表测电阻的实验设计中,可设计如图3所示的实验电路,利用分流电阻R与待测电阻并联,借助于电流表测干路电流和分流电阻R中的电流,利用并联分流公式,可求出待测电阻的阻值。
如果只有一个电流表,可将电流表先后接在干路或不同的支路中测出I和(或和或和),也可求出。
分流电路
分流电路实际上是电阻器的并联电路,如图2-2所示。
它有以下几点特点:
①各支路的电压等于总电压;
②总电流等于各支路电流之和,即I=I1+I2+I3;
③总电阻的倒数等于各支路倒数之和,即1/R=1/R1+1/R2+1/R3
在实践中经常利用电阻器的并联电路组成分流电路,以对电路中的电流进行分配;
图2-3是用于扩大电流表量程的分流电路。
电流表的满度电流为50uA.现需将它改成一个最大量程为500uA的电流表,此时只需要在电流表两端并上一只电阻器R1即可。
根据图2-3(b)并联电路可知
I=I1+I0
若I=500uA,则
I1=I-I0=500-50=450uA
由于I0*R0=I1*R1(式中R0为电流表内阻)
求得R1=(I0*R0)/I1=200Ω上述的分流电路计算结果表明,只要在50uA表头上并联一个200Ω的电阻,即可使表头的量程由50uA扩大到500uA。
三.分压
一般用电器上都标有额定电压值,若电源比用电器的额定电压高,则不可把用电器直接接在电源上。
在这种情况下,可给用电器串接一个合适阻值的电阻,让它分担一部分电压,用电器便能在额定电压下工作。
我们称这样的电阻为分压电阻。
如图4所示的电路,当接入合适的分压电阻后,额定电压为3V的电灯便可接入电压为12V的电源上。
又如我们常用的测电笔里有一个阻值很大的高电阻,它也是一个分压电阻。
人体的电阻一般为高电阻的,这样人站在地面上用测电笔接触220的电源,那么测电笔中高电阻分压约为200V,人体承受的电压就只有20V,低于36V,这样就没有触电的危险了。
再如在缺电流表测待测电阻的实验设计中,也常使用分压电阻与待测电阻串联,再利用分压公式,便可求出待测电阻的阻值了。
1.分压电路
分压电路实际上是电阻的串联电路,如图2-1所示,它有以下几个特点:
①通过各电阻的电流是同一电流,即各电阻中的电流相等、I=I1=I2=I3;
②总电压等于各电阻上的电压降之和,,即V=V1+V2+V3;
③总电阻等于各电阻之和,即R=R1+R2+R3:
在实践中可利用电阻串联电路来进行分压以改变输出电压,如收音机和扩音机的音量调节电路、半导体管工作点的偏置电路及降压电路等。
四.将电能转化为内能
电流通过电阻时,会把电能全部(或部分)转化为内能。
用来把电能转化为内能的用电器叫电热器。
如电烙铁、电炉、电饭煲、取暖器等等。
3.阻抗匹配电路
图2-4所是由电阻器组成的阻抗匹配衰减器、它接在特性阻抗不同的两个网络中间,可以起到匹配阻抗的作用。
匹配器中电阻器的阻什可由下式确定,即式中,Z1和Z2为网络1和网络2的阻抗,它们分别为300Ω和75Ω。
将它们代入上面两个公式中,则求得RI=259.8Ω,R2=86.6Ω。
4.RC充放电电路
RC充放电电路是电阻器应用的基础电路,在电子电路中会常常见到,因此了解RC充放电特性是非常有用的。
RC充放电电路如图2-5所示。
图中开关S原来停留在B点位置,电容器C上没有电荷,它两端的电压等于零。
当开关接到A点时.电源E通过R向电容器C充电,在电路接通的瞬间,电容器电压Vc=0,充电电流最大值等于Z/R。
随着电容器两极上电荷的积累,Vc逐渐增大,电阻器R上的电压Vr=E-Vc,充电电流i=(E—Vc)/R且随着Vc的增大而越来越小,Vc的上升也越来越慢。
当Vc=E时,i=0,充电过程结束。
试验证明,充电过程可用下面公式描述,即式中:
e-自然对数;t-时间。
从公式中不难看出,充电过程中Vc和i是按指数规律变化的。
而充电的快慢取决于电阻和电容的乘积,因此称RC为时间常数r,即r=RC。
如果R和C的的单位取欧姆和法拉,则r的单位为秒。
根据公式计算在不同时间内的Vc和i,其结果见表2-4。
从表中可以看出,r越大充电越慢。
当t=3r时,Vc=0.95E;当t=5r时,Vc=0.993E;一般认为当t=(3-5)r时,电容器上的电荷已被充满。
电容器上的电荷已被充满。
当电路开关S在C充满电荷后由A端置于B端时,电容C上的电荷通过R放电,其放电也是按指数规律进行的。
利用RC充放电特性可组成很多应用电路,如积分电路、微分电路、去耦电路以及定时电路等。
电容器在电路中的作用
在直流电路中,电容器是相当于断路的。
电容器是一种能够储藏电荷的元件,也是最常用的电子元件之一。
这得从电容器的结构上说起。
最简单的电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质(包括空气)构成的。
通电后,极板带电,形成电压(电势差),但是由于中间的绝缘物质,所以整个电容器是不导电的。
不过,这样的情况是在没有超过电容器的临界电压(击穿电压)的前提条件下的。
我们知道,任何物质都是相对绝缘的,当物质两端的电压加大到一定程度后,物质是都可以导电的,我们称这个电压叫击穿电压。
电容也不例外,电容被击穿后,就不是绝缘体了。
不过在中学阶段,这样的电压在电路中是见不到的,所以都是在击穿电压以下工作的,可以被当做绝缘体看。
陶制电容器
但是,在交流电路中,因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。
而电容器充放电的过程是有时间的,这个时候,在极板间形成变化的电场,而这个电场也是随时间变化的函数。
实际上,电流是通过场的形式在电容器间通过的。
在中学阶段,有句话,就叫通交流,阻直流,说的就是电容的这个性质。
电容的作用:
1)旁路
旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求。
就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。
为尽量减少阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。
这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。
地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。
2)去耦
去耦,又称解耦。
从电路来说,总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。
如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作,这就是所谓的“耦合”。
去耦电容就是起到一个“电池”的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰,在电路中进一步减小电源与参考地之间的高频干扰阻抗。
将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。
旁路电容实际也是去耦合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。
高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF等;而去耦合电容的容量一般较大,可能是10μF或者更大,依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。
旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源。
这应该是他们的本质区别。
3)滤波
从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。
但实际上超过1μF的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频率高后反而阻抗会增大。
有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容,这时大电容通低频,小电容通高频。
电容的作用就是通高阻低,通高频阻低频。
电容越大低频越不容易通过。
具体用在滤波中,大电容(1000μF)滤低频,小电容(20pF)滤高频。
曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。
由于电容的两端电压不会突变,由此可知,信号频率越高则衰减越大,可很形象的说电容像个水塘,不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。
它把电压的变动转化为电流的变化,频率越高,峰值电流就越大,从而缓冲了电压。
滤波就是充电,放电的过程。
4)储能
储能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。
电压额定值为40~450VDC、电容值在220~150000μF之间的铝电解电容器(如EPCOS公司的B43504或B43505)是较为常用的。
根据不同的电源要求,器件有时会采用串联、并联或其组合的形式,对于功率级超过10KW的电源,通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。
基本功能——充电和放电
充电和放电是电容器的基本功能。
充电
使电容器带电(储存电荷和电能)的过程称为充电。
这时电容器的两个极板总是一个极板带正电,另一个极板带等量的负电。
把电容器的一个极板接电源(如电池组)的正极,另一个极板接电源的负极,两个极板就分别带上了等量的异种电荷。
充电后电容器的两极板之间就有了电场,充电过程把从电源获得的电能储存在电容器中。
放电
使充电后的电容器失去电荷(释放电荷和电能)的过程称为放电。
例如,用一根导线把电容器的两极接通,两极上的电荷互相中和,电容器就会放出电荷和电能。
放电后电容器的两极板之间的电场消失,电能转化为其它形式的能。
在一般的电子电路中,常用电容器来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等,这些作用都是其充电和放电功能的演变。
电容器主要特性参数
1耐压
2容量
标称电容量和允许偏差
标称电容量是标志在电容器上的电容量。
电容器的基本单位是法拉,简称法(F),但是,这个单位太大,在实地标注中很少采用。
其它单位关系如下:
1F=1000mF
1mF=1000μF
1μF=1000nF
1nF=1000pF
电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差,在允许的偏差范围称精度。
精度等级与允许误差对应关系:
00(01)-±1%、0(02)-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ-(+20%-10%)、Ⅴ-(+50%-20%)、Ⅵ-(+50%-30%)
一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级,电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级,根据用途选取。
额定电压
在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电
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- 关 键 词:
- 电子元器件 电路 中的 作用