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《迷人的8051单片机》---- 1.2小元器件有大智慧

简介:

本节书摘来自华章出版社《迷人的8051单片机》一书中的第1章,第1.2节,作者高显生,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.2 小元器件有大智慧

前面介绍的欧姆定律揭示了电路中电压、电流和电阻三者的关系,接下来应该研究一下构成电路的电子元器件。在元器件家族中,最基本的三类元件非电阻器、电容器和电感器莫属。我们就从电阻器说起……

1.2.1 电阻器

电阻器简称“电阻”,是构成电路最基本的电子元件之一,在电路中有着广泛的应用。按照制造工艺和安装方式的不同,电阻的种类也多种多样。其中较为常用的一类电阻是直插式的,如图1-2所示。直插式电阻通常用涂装于表面的色环来表示阻值的大小,因此也称其为色环电阻。

另一类电阻是基于表面贴装(SMD)技术开发的,称其为贴片电阻,其外形如图1-3所示。按照贴片工艺要求的不同,贴片电阻的大小也有区别,国际上通常以英制的四位数字来表示贴片电阻的外形尺寸和功率,如“0805”就代表贴片电阻的长、宽、高分别为2.0mm、1.25mm、0.5mm,具体的封装尺寸详见表1-2。

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电阻的阻值表示方法有色标法和文字符号法两种。

1.色标法

直插电阻外面的色环就是色标法表示阻值的代表,按照电阻精度不同,色标方法也略有不同。普通电阻器使用四个色环来表示其阻值和允许偏差,其中第一、第二色环表示有效数字,第三色环表示倍率(乘数),与前三个色环距离较大的第四色环表示电阻的精度。精密电阻器则用五个色环来表示阻值和允许偏差,其中第一、第二、第三色环表示有效数字,第四色环表示倍率,与前四个色环距离较大的第五色环表示精度,色环与阻值的对应关系详见表1-3。

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例如,一个由蓝、灰、橙、金四环标注的电阻,其阻值大小为:68×103 = 68kΩ,阻值误差为±5%;由有棕、黑、绿、棕、棕五环标注的电阻,其阻值大小为:105×101 = 1.05kΩ,阻值误差为±1%。

2.文字符号法

文字符号法在贴片电阻的阻值标识中有广泛的应用。精度为±5%的电阻器通常使用三位数字表示阻值,其中前两位数字表示电阻值的有效数字,第三位数字表示电阻值的倍率。例如“223”,表示电阻的阻值为22×103 = 22kΩ。小于10Ω的电阻,第一、第三位数字表示数值的有效数字,第二位用字母“R”表示小数点。例如“3R9”,表示阻值为3.9Ω。精度为±1%的贴片电阻使用四位数字表示阻值,其中前三位数字表示电阻值的有效数字,第四位数字表示电阻值的倍率。例如“1601”,表示电阻阻值为160×101 = 1.6kΩ。电阻器在电路图中通常用一个两端有引出线的矩形来表示,如图1-4所示。

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1.2.2 电位器

有这样一类电阻,它的阻值是可变的,我们称其为“可变电阻器”或“电位器”,其外观如图1-5所示。电位器通常有两个固定端和一个滑动端,当调节电位器时,滑动端与两个固定端之间的电阻大小会随之改变,进而改变电路中电流或电压强度,实现某些控制功能,如控制音量、调节光照强度等。电位器在电路图中通常用图1-6所示的图形来表示,其阻值用数值来表示,方法与贴片电阻的文字符号标注方法类似,例如“473”表示电位器的最大阻值是47k?。

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1.2.3 电容器

说起电容器,我们可以追溯到富兰克林所在的年代。在一个玻璃瓶子的内外壁分别贴上锡箔纸,将瓶内的锡箔通过金属线连接到瓶外,就构成了莱顿瓶。别小看这样的一个容器,它是可以存储电荷的,当年富兰克林就是用风筝把雷电引入莱顿瓶中保存的。莱顿瓶就是早期电容器的雏形,它是一种能容纳电荷的元件,任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体都能构成一个电容器。

电容器简称“电容”,在电路图中的表示符号有两种,一种是无极性的电容,一种是有极性的电解电容。无极性的电容用两个平行且粗细相同的线来表示,而有极性的电容则是在无极性电容符号的基础上,在电容的正极标注正号,如图1-7所示。电容器可以存储电荷,但电路中电容器的作用并不是用于存储电能,而是利用电容器能反复充放电的特点,达到阻直流、通交流的目的。

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按照极板间绝缘材料的不同,电容器可以分为瓷介电容、涤纶电容、聚丙烯电容、电解电容、钽电容等。其中瓷介电容、涤纶电容、聚丙烯电容都是无极性的,而电解电容、钽电容是有极性的。

常用的贴片电容就是无极性电容的代表,其全称为“多层片式陶瓷电容器”, 使用陶瓷作为电介质,外形以片式居多,其外观如图1-8所示。

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电解电容多为直插的封装,引线的一端标注着“-”号,它表示这一端是电容器的负极,相应没有标注的一端则为电解电容的正极。将电解电容连接到电路中时,如果接错了极性,电解电容的内部会因为快速积聚气体而发生爆炸。另外,当电解电容的两端施加了超过其承受能力的电压时,极板会被击穿而短路。不仅是电解电容,所有的电容都是有耐压值要求的,电解电容的耐压值通常用数字直接标出,其外观如图1-9所示。

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钽电容也属于电解电容的一种,全称为“钽电解电容”,因其内部使用了金属钽作为工作介质而得名。钽电容具有体积小、电性能优良、工作温度范围宽、坚固耐用等优点,在高端应用中较为多见。贴片钽电容有标记的一端是正极,另外一端是负极,其实物如图1-10所示。

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电容的单位是法拉,简称“法”,符号是“F”。法拉是一个比较大的单位,在实际使用时往往达不到这样的取值范围,因此常用的电容单位都比较小,如毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)、皮法(pF)等,它们之间的换算关系如下:

1法拉(F) = 103毫法(mF)= 106微法(μF)

1微法(μF)= 103纳法(nF) = 106皮法(pF)

直插形式的电解电容常用数字直接标明电容值,如“220μF/16V”,表示电容值为220μF,耐压为16V。钽电容和基于表面贴装工艺的电容通常用字母或数字表示其容量,具体有如下两种方法:

1.字母表示法

例如,“47n”表示47nF, “3n3”表示3300pF,“68p” 表示68pF,“5p6”表示5.6pF。

2.数字表示法

通常用三位数字表示电容值。前两位数字为标称容量的有效数字,第三位数字表示有效数字后面零的个数,它们的单位都是pF。

例如,“102”表示标称容量为1000pF;“221”表示标称容量为220pF。

值得注意的是,基于表面贴装工艺的电容很多是没有电容容量标识的,使用时可以用万用表的电容档来对其进行测量。

1.2.4 电感器

当导线中有电流流过时,会在导线的周围产生磁场,为了让通电的导线产生更强的磁场,我们可以将导线缠绕起来制成螺线管,这样会使导线周围的磁场相互叠加。当线圈中的电流发生变化时,其周围的磁场也会发生相应的变化,此变化的磁场还可使线圈自身产生感应电动势,这种现象称为“自感”;如果在一个通电的线圈周围放置另外一个线圈,当通电的线圈中电流发生变化时,它周围的磁场变化会影响另一个线圈,并在另一个线圈的两端产生电压,如果这个线圈是闭合的,将有电流流过这个线圈,这种两个电感线圈靠近时相互影响的现象称为“互感”。

我们所说的电感器简称为“电感”,是指在电路中能产生自感或互感作用的元件,电路中的电感器通常是由一段导线绕制在空心骨架或磁性材料上构成的,其外观如图1-11所示,在电路图中的表示符号如图1-12所示。

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电感器在电路中的应用十分灵活,既可以对交流信号进行隔离,实现滤波的作用;又可以与电容器、电阻器等组成谐振电路,产生振荡信号;还可以将电能转化为磁能,用于电压转换。电感器的单位主要用于标称其电感量,也称作“自感系数”。电感量的单位是亨利,简称“亨”,用字母“H”表示。亨利同样也是一个较大的单位,常用的单位有毫亨(mH)和微亨(μH)等,它们之间的换算关系如下:

1H = 103mH = 106μH

1.2.5 继电器

继电器也是基于电磁感应的原理制成的,是一种用小电流控制大电流的电子器件。继电器的内部结构原理如图1-13所示。继电器的核心部分是一个电磁铁(图中A、B两点之间的部分),在电流的作用下,电磁铁会吸引设置在它作用范围内的衔铁(图中与C点相连的部分),衔铁带动与之相连的开关打开或闭合(图中C、D、E三点间的部分),从而控制另外一个电路的通断。

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继电器的实物外形如图1-14所示,在电路中的表示符号如图1-15所示。

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1.2.6 蜂鸣器

蜂鸣器是一种会发出声音的电子器件,家用的电磁炉在按键时会发出“哔哔”的声音,就是因为其内部安装有蜂鸣器。蜂鸣器的原理与继电器类似,通电的电磁铁吸引振膜振荡产生音频信号,从而发出声音。

常用的蜂鸣器分为两种:一种是有源蜂鸣器,它内部设有振荡电路,在它的两个引脚上接上电压就会发出固定频率的声音;另一种是无源蜂鸣器,内部无振荡电路,接上电源后不会发声,使用时需要用不同频率的方波信号来驱动它发声。

蜂鸣器的引脚是有极性的,引脚较长的是正极,另一个较短的为负极,使用时要注意区分。另外,源蜂鸣器的顶端有一个贴纸,用于保护内部振荡电路不会因制造环节的清洗过程而损坏,正常使用时需要将贴纸揭掉。蜂鸣器的实物外形如图1-16所示,在电路中的表示符号如图1-17所示。

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1.2.7 晶体振荡器

使用电阻和电容搭建一个正反馈的振荡电路就可以获取时钟信号,通过改变电阻或电容的值还可以调节时钟信号的频率,这种由RC网络构成的振荡电路在电子管时代有着广泛的应用。由RC网络构成的振荡电路的优点是起振快,加电后立即可以输出满幅的振荡信号,但它也有缺点,即当外界温度变化时,阻容元件的值也会发生变化,从而引起振荡频率的漂移。

后期发现了陶瓷的压电效应,一个两面覆盖电极的陶瓷片在外加电场的作用下,自身会发生形变而产生振荡,当振荡达到自身的共振频率时,即可进入稳定的谐振状态,输出固定频率的振荡信号。陶瓷谐振器的优点是起振快、不怕过激励,但频率稳定性和精度稍差。

人们对高稳定时钟信号的追求一直都没有停止。当一个石英晶体受到激励后,会产生稳定性极高的时钟。利用这一特性,将一小片经过仔细研磨的石英片两端用引线引出,外面加上屏蔽罩,即可制成石英晶体振荡器,简称“晶振”。

石英晶体振荡器不会自己振荡,它要有外部的电路配合才能起振,一旦开始振荡,就会稳定地保持在某一固定的频率上,一般商业用的晶振频率误差都在百万分之一百以内,可见其频率稳定性极高。利用晶体振荡器,可以制作成精度很高的电子计时器,我们常用的石英钟也是因为其内部有石英晶体而得名。石英晶体振荡器的实物外观如图1-18所示,在电路中的表示方法如图1-19所示。

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晶体振荡器的振荡频率一般是在产品上用数字的形式直接标出,如12M、11.0592M、32.786k等。尽管晶体振荡器具有时钟稳定性高的优点,但它也有缺点。首先,晶体振荡器的起振是一个渐进的过程,需要经过一段时间才能输出稳定且满幅的振荡信号,这给在系统加电后就立即需要稳定时钟的应用带来了不便;其次,晶体振荡器在受到强烈撞击或电压冲击时,石英晶体会因物理结构的改变而损坏,所以在使用时需要考虑产品的抗震性。


本章回顾

本章主要介绍的是电路中电压、电阻和电流三个常用物理量的单位及换算关系,以及电路中最基本的元器件的识别及符号标识,这些知识是我们步入电子世界的基础,对于那些只会做难题,却不知电阻是何物的“学霸们”也是必补的一课,加油!

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