认识嵌入式中的元器件
认识嵌入式中的元器件
元器件符号
电阻
一种通过限制电流流动来调节电压和电流的电子元件,通常用来分压、限流、偏置电路等。通俗来说,电阻器就像一个水管中的狭窄部分,通过阻碍水流来控制流量。
参数
- 阻值(R):电阻器的电阻值,单位为欧姆(Ω);
- 功率额定值(P):电阻器能够承受的最大功率,单位为瓦特(W);
- 精度(Tolerance):电阻值的允许偏差,一般用百分比表示,如±1%、±5%;
- 温度系数(TCR):电阻值随温度变化的程度,单位为ppm/°c。
种类
固定电阻器
- 特点:阻值固定不变,常用材料有碳膜、金属膜、线绕等
- 应用:广泛用于限流、分压、偏置等电路中
可变电阻器(电位器)
- 特点:阻值可调,通常用于需要调节电路参数的场合
- 应用:音量调节、电路校准、传感器偏置等
热敏电阻器(NTC/PTC)
- 特点:阻值随温度变化,NTC电阻随温度升高阻值减小,PTC电阻随温度升高阻值增大
- 应用:温度传感、温度补偿、过热保护等
光敏电阻
- 特点:阻值随光强变化,光强增加时阻值减小
- 应用:光强检测、光控开关等
压敏电阻
- 特点:阻值随电压变化,电压升高时阻值减小,用于过压保护
- 应用:浪涌保护、过压保护等
水泥电阻
- 特点:由金属氧化膜制成,封装在耐高温的陶瓷或水泥外壳中,具有高功率、高稳定性和耐高温的特点
- 应用:用于需要处理大功率的电路,如功率放大器、电源电路和电动机控制等
功能应用
限流
电阻器用于限制电流,保护电路元件免受过流损坏
分压(采样)
电阻器用于分配电压,调节电路中的电压水平
上下拉电阻
用于确保数字电路输入端处于确定的电压状态,避免浮空
定时
电阻器与电容器组合使用,用于定时电路,控制时间常数
色环电阻判断
外表有不同颜色的色环
- 蓝色的是金属膜色环电阻,外表有一层金属膜,一般有5个色环
- 土黄色的是碳膜色环电阻,外表有一层碳膜,一般有4个色环
光耦
一种利用光信号进行电隔离的电子元件,通过LED和光敏器件(如光敏三极管)实现信号的传递和隔离
参数
- 电气隔离:光耦实现输入和输出电路的电气隔离防止高压干扰和保护低压电路;
- 抗干扰能力强:光信号传递不受电磁于扰影响,适用于噪声环境;
- 响应速度快:光耦具有较快的响应速度,适用于高速信号传输;
- 长寿命和可靠性:光耦采用固态元件,寿命长、可靠性高
工作原理
基本组成
1.LED:光耦输入端通常连接一个发光二极管(LED)。当输入电流流过LED时,LED会发光。
2.光敏器件:光耦输出端连接一个光敏器件,如光敏三极管、光敏达林顿管、光敏SCR或光敏MOSFET。光敏器件接收到LED发出的光后会导通或激活,从而传递信号。
工作示例
- 初始状态:输入电路没有给LED施加电压,LED不发光,光敏三极管处于截止状态,输出电路没有电流流过;
- 输入信号施加:输入电路给LED施加正向电压,电流流过LED,LED发光。光的强度与输入电流成正比;
- 光电转换:光敏三极管接收到LED发出的光后,基极-发射极结被光激发,集电极-发射极间导通,输出电路中的电流开始流过光敏三极管;
- 输出信号传递:光敏三极管导通后,输出电路中的负载得到驱动信号,完成信号的传递和隔离
输出种类
光敏三极管输出
- 特点:输出端为光敏三极管,响应速度快,适用于低电流应用
- 应用:用于信号隔离、电平转换和开关控制
光敏MOSFET输出
- 特点:输出端为光敏三极管,响应速度快,适用于低电流应用
- 应用:用于信号隔离、电平转换和开关控制
光敏可控硅(晶闸管)输出
- 特点:输出端为光敏可控硅,适用于交流电路的开关控制
- 应用:用于交流电路的开关控制、灯光调节等
光敏达林顿管输出
- 特点:输出端为光敏IGBT,适用于高压大电流应用,具有高输入阻抗和快速开关特性
- 应用:用于电力电子、逆变器和高压大功率开关控制
集成电路输出
- 特点:输出端为光敏集成电路,具有多种功能集成,适用于复杂控制应用
- 应用:用于微控制器接口、复杂控制电路等
光敏IGBT输出
- 特点:输出端为光敏IGBT,适用于高压大电流应用,具有高输入阻抗和快速开关特性
- 应用:用于电力电子、逆变器和高压大功率开关控制
功能应用
- 信号隔离:光耦用于输入和输出电路的信号隔离,防止高压干扰和保护低压电路;
- 电平转换:光耦用于不同电平之间的信号转换,如TTL与CMOS电平转换;
- 开关控制:光耦用于控制大功率开关器件,如晶闸管、继电器等;
- 通信接口:光耦用于串行通信接口隔离,防止电磁干扰
二极管
单向导电性的半导体器件,允许电流在一个方向通过,而在另一个方向阻止电流通过。通俗来说,二极管就像一个单行道,只允许电流从一个方向流过
参数
- 最大正向电流(I_F):二极管在正向导通时允许的最大电流
- 反向击穿电压(V_BR):二极管在反向阻断时允许的最大电压
- 正向压降(V_F):二极管正向导通时的电压降
- 反向漏电流(I_R):二极管在反向阻断时的微小电流
种类及特点
- 常规二极管
- 特点:标准的单向导电特性,正向压降为0.7V(硅材料)或0.3V(锗材料)
- 应用:常用于整流电路、信号处理等基础应用
- 发光二极管(LED)
- 特点:正向导通时能够发光,颜色取决于半导体材料,具有较高的正向电压(通常在1.8V到3.3V之间)
- 应用:用于显示、指示灯、照明等
- 肖特基二极管
- 特点:具有较低的正向压降(约0.2V到0.3V),开关速度快,适用于高频应用
- 应用:用于电源整流、高频信号整流、开关电源等
- 瞬态电压抑制(TVS)二极管
- 特点:在瞬态高压条件下能够迅速导通,吸收瞬态高能量,保护电路元件
- 应用:用于防止电压尖峰和浪涌对电路的损害,常见于电源和通信接门保护
- 齐纳(稳压)二极管
- 特点:在反向击穿时能够稳定在特定电压,具有很高的稳定性和精度
- 应用:用于电压稳压、过压保护、参考电压源等
- 变容二极管
- 特点:其电容值随反向电压变化而变化,具有较高的电容调谐特性
- 应用:用于调谐电路、频率合成器、RF调制等
三极管
通过小电流控制大电流,常用于放大和开关电路。通俗来说,三极管就像一个电子水龙头,可以用阀门控制水箱流入出水门
参数
- 集电极电流(Ic):三极管的最大集电极电流;
- 集电极-发射极电压(Vce):三极管的最大集电极-发射极电压;
- 放大倍数(hFE或β):三极管的电流放大倍数;
- 截止频率(ft):三极管在高频时保持放大特性的频率范围
工作状态
- 截止状态
- 基极-发射极电压(V_BE)小于阈值电压(约0.7V对于硅三极管);
- 基极电流(I_B)为零或接近零;
- 集电极电流(I_C)为零或接近零;
- 三极管相当于一个开路状态,集电极和发射极之间没有导通
- 饱和状态
- 基极-发射极电压(V_BE)大于阈值电压(约0.7V对于硅三极管);
- 基极电流(I_B)足够大,使得集电极电流(I_C)达到最大值;
- 集电极-发射极电压(V_CE)较低,接近零;
- 三极管相当于一个导通的开关,集电极和发射极之间完全导通
- 放大状态
- 基极-发射极电压(V_BE)大于阀值电压(约0.7V对于硅三极管);
- 基极电流(I_B)较小,但非零;
- 集电极电流(I_C)与基极电流(I_B)成比例关系,I_C=β*I_B(β为三极管的电流放大倍数)
- 三极管处于放大状态,集电极和发射极之间部分导通
实用案例
使用NPN型三极管,通过微控制器控制三极管的基极电流,从而控制LED的通断
继电器
以小控大的电子开关,利用电磁感应原理,通过控制低电流电路来开关高电流电路的电子元件。它在电路中起到控制、保护和转换电路的作用
参数
- 额定电压:继电器线圈所需的工作电压;
- 额定电流:继电器触点能够承受的最大电流;
- 触点形式:继电器触点的类型,如常开、常闭或转换
工作原理
- 初始状态
- 当继电器线圈未通电时,电磁铁没有磁场,衔铁在弹簧的作用下处于初始位置;
- 触点处于未动状态,根据继电器类型,常开触点(C)断开,常闭触点(A)闭合。
- 通电状态
- 当控制电路给继电器线圈施加电压时,线圈中产生电流电磁铁产生磁场;
- 磁场吸引衔铁,使其克服弹等的作用力,向电磁铁向常开触点(C)移动
- 恢复状态
- 当控制电路断开电压,线圈失去电流,电磁铁失去磁场,衔铁在弹等的作用下恢复初始位置,触点状态恢复:
- 常开触点(C):断开
- 常闭触点(A):闭合
功能作用
-
隔离作用:实现控制电路与被控电路的电气隔离,保护控制电路的安全
-
高负载能力:继电器能够控制高电流、高电压的电路适用于大功率设备的控制
晶振(晶体振荡器)
一个精准的时间守卫:一种通过压电效应产生稳定振荡信号的电子元件,广泛用于时钟信号生成和频率控制。通俗来说,晶振就像一个精准的时间机器,为电子设备提供稳定的时钟信号,确保各部分协同工作。
特点
- 高稳定性:晶振具有很高的频率稳定性,受温度、湿度等环境因素影响较小;
- 高精度:晶振能够产生高精度的时钟信号,误差极小;
- 小尺寸:晶振体积小,易于集成到各种电子设备中;
- 低功耗:晶振功耗低,适合用于需要长时间工作的设备中
种类
- 石英晶体振荡器:最常见的晶振,使用石英晶体作为振荡元件;
- 陶瓷晶体振荡器:使用陶瓷材料作为振荡元件,成本较低;
- 温度补偿晶体振荡器(TCXO):通过温度补偿电路提供更高的频率稳定性;
- 压控振荡器(VCO):频率可以通过控制电压进行调整的晶振
功能作用
- 时钟信号生成:在微控制器和处理器中提供稳定的时钟信号,确保系统正常运行;
- 频率控制:在无线通信设备中控制频率,如收发器的频率合成器;
- 定时器:在电子设备中提供精确的定时信号,用于计时和同步操作;
- 数字电路:为数字电路提供参考时钟信号,确保数据传输的准确性。
电感
通交流隔直流的储能器件,一种能够储存电磁能量的电子元件,由线圈绕制而成。电感器在电路中可以产生电磁感应效应。通俗来说,电感器就像一个能量弹簧,可以储存和释放电能,通过磁场来控制电流的变化
参数
- 电感量(L):表示电感器的电感值,单位为享利(H);
- 品质因数(Q):表示电感器的性能,高Q值表示损耗小、效率高;
- 额定电流:电感器能够安全通过的最大电流值;
- 饱和电流:超过此电流,电感器的电感量会显著降低
种类
-
固定电感:电感值固定不变的电感器,如空心电感铁芯电感等
-
可变电感:电感值可以调节的电感器,常用于调谐电路
-
功率电感:用于处理大电流的电感器,常见于电源滤波和功率变换器中
功能作用
-
储能:电感器可以储存电磁能量,并在需要时释放
-
阻抗:电感器对交流电阻抗随频率增加而增加,对直流电呈现低阻抗
-
滤波:电感器可以滤除电路中的高频噪声,平滑电流
-
电流响应:电感器能平滑电流变化,防止突变电流
电容
特点
种类
- 电解电容:有正负极区分,在元器件一旁标出正极的位置,需要按照正确的极性连接;
- 独石(瓷片)电容:不区分正负极;
按键
蜂鸣器/扬声器
扬声器(喇叭)
特点
- 需要音频输入和功率放大之后才能发声
干簧管
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