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《迷人的8051單片機》---- 1.2小元器件有大智慧
本節書摘來自華章出版社《迷人的8051單片機》一書中的第1章，第1.2節，作者高顯生，更多章節內容可以訪問雲棲社區“華章計算機”公眾號查看。
1.2 小元器件有大智慧
前麵介紹的歐姆定律揭示了電路中電壓、電流和電阻三者的關係，接下來應該研究一下構成電路的電子元器件。在元器件家族中，最基本的三類元件非電阻器、電容器和電感器莫屬。我們就從電阻器說起……
1.2.1 電阻器
電阻器簡稱“電阻”，是構成電路最基本的電子元件之一，在電路中有著廣泛的應用。按照製造工藝和安裝方式的不同，電阻的種類也多種多樣。其中較為常用的一類電阻是直插式的，如圖1-2所示。直插式電阻通常用塗裝於表麵的色環來表示阻值的大小，因此也稱其為色環電阻。
另一類電阻是基於表麵貼裝（SMD）技術開發的，稱其為貼片電阻，其外形如圖1-3所示。按照貼片工藝要求的不同，貼片電阻的大小也有區別，國際上通常以英製的四位數字來表示貼片電阻的外形尺寸和功率，如“0805”就代表貼片電阻的長、寬、高分別為2.0mm、1.25mm、0.5mm，具體的封裝尺寸詳見表1-2。
電阻的阻值表示方法有色標法和文字符號法兩種。
1.色標法
直插電阻外麵的色環就是色標法表示阻值的代表，按照電阻精度不同，色標方法也略有不同。普通電阻器使用四個色環來表示其阻值和允許偏差，其中第一、第二色環表示有效數字，第三色環表示倍率（乘數），與前三個色環距離較大的第四色環表示電阻的精度。精密電阻器則用五個色環來表示阻值和允許偏差，其中第一、第二、第三色環表示有效數字，第四色環表示倍率，與前四個色環距離較大的第五色環表示精度，色環與阻值的對應關係詳見表1-3。
2.文字符號法
文字符號法在貼片電阻的阻值標識中有廣泛的應用。精度為±5%的電阻器通常使用三位數字表示阻值，其中前兩位數字表示電阻值的有效數字，第三位數字表示電阻值的倍率。例如“223”，表示電阻的阻值為22×103 = 22kΩ。小於10Ω的電阻，第一、第三位數字表示數值的有效數字，第二位用字母“R”表示小數點。例如“3R9”，表示阻值為3.9Ω。精度為±1%的貼片電阻使用四位數字表示阻值，其中前三位數字表示電阻值的有效數字，第四位數字表示電阻值的倍率。例如“1601”，表示電阻阻值為160×101 = 1.6kΩ。電阻器在電路圖中通常用一個兩端有引出線的矩形來表示，如圖1-4所示。
1.2.2 電位器
有這樣一類電阻，它的阻值是可變的，我們稱其為“可變電阻器”或“電位器”，其外觀如圖1-5所示。電位器通常有兩個固定端和一個滑動端，當調節電位器時，滑動端與兩個固定端之間的電阻大小會隨之改變，進而改變電路中電流或電壓強度，實現某些控製功能，如控製音量、調節光照強度等。電位器在電路圖中通常用圖1-6所示的圖形來表示，其阻值用數值來表示，方法與貼片電阻的文字符號標注方法類似，例如“473”表示電位器的最大阻值是47k?。
1.2.3 電容器
說起電容器，我們可以追溯到富蘭克林所在的年代。在一個玻璃瓶子的內外壁分別貼上錫箔紙，將瓶內的錫箔通過金屬線連接到瓶外，就構成了萊頓瓶。別小看這樣的一個容器，它是可以存儲電荷的，當年富蘭克林就是用風箏把雷電引入萊頓瓶中保存的。萊頓瓶就是早期電容器的雛形，它是一種能容納電荷的元件，任何兩個彼此絕緣且相隔很近的導體都能構成一個電容器。
電容器簡稱“電容”，在電路圖中的表示符號有兩種，一種是無極性的電容，一種是有極性的電解電容。無極性的電容用兩個平行且粗細相同的線來表示，而有極性的電容則是在無極性電容符號的基礎上，在電容的正極標注正號，如圖1-7所示。電容器可以存儲電荷，但電路中電容器的作用並不是用於存儲電能，而是利用電容器能反複充放電的特點，達到阻直流、通交流的目的。
按照極板間絕緣材料的不同，電容器可以分為瓷介電容、滌綸電容、聚丙烯電容、電解電容、鉭電容等。其中瓷介電容、滌綸電容、聚丙烯電容都是無極性的，而電解電容、鉭電容是有極性的。
常用的貼片電容就是無極性電容的代表，其全稱為“多層片式陶瓷電容器”， 使用陶瓷作為電介質，外形以片式居多，其外觀如圖1-8所示。
電解電容多為直插的封裝，引線的一端標注著“－”號，它表示這一端是電容器的負極，相應沒有標注的一端則為電解電容的正極。將電解電容連接到電路中時，如果接錯了極性，電解電容的內部會因為快速積聚氣體而發生爆炸。另外，當電解電容的兩端施加了超過其承受能力的電壓時，極板會被擊穿而短路。不僅是電解電容，所有的電容都是有耐壓值要求的，電解電容的耐壓值通常用數字直接標出，其外觀如圖1-9所示。
鉭電容也屬於電解電容的一種，全稱為“鉭電解電容”，因其內部使用了金屬鉭作為工作介質而得名。鉭電容具有體積小、電性能優良、工作溫度範圍寬、堅固耐用等優點，在高端應用中較為多見。貼片鉭電容有標記的一端是正極，另外一端是負極，其實物如圖1-10所示。
電容的單位是法拉，簡稱“法”，符號是“F”。法拉是一個比較大的單位，在實際使用時往往達不到這樣的取值範圍，因此常用的電容單位都比較小，如毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）、皮法（pF）等，它們之間的換算關係如下：
1法拉（F） = 103毫法（mF）= 106微法（μF）
1微法（μF）= 103納法（nF） = 106皮法（pF）
直插形式的電解電容常用數字直接標明電容值，如“220μF/16V”，表示電容值為220μF，耐壓為16V。鉭電容和基於表麵貼裝工藝的電容通常用字母或數字表示其容量，具體有如下兩種方法：
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.數字表示法
通常用三位數字表示電容值。前兩位數字為標稱容量的有效數字，第三位數字表示有效數字後麵零的個數，它們的單位都是pF。
例如，“102”表示標稱容量為1000pF；“221”表示標稱容量為220pF。
值得注意的是，基於表麵貼裝工藝的電容很多是沒有電容容量標識的，使用時可以用萬用表的電容檔來對其進行測量。
1.2.4 電感器
當導線中有電流流過時，會在導線的周圍產生磁場，為了讓通電的導線產生更強的磁場，我們可以將導線纏繞起來製成螺線管，這樣會使導線周圍的磁場相互疊加。當線圈中的電流發生變化時，其周圍的磁場也會發生相應的變化，此變化的磁場還可使線圈自身產生感應電動勢，這種現象稱為“自感”；如果在一個通電的線圈周圍放置另外一個線圈，當通電的線圈中電流發生變化時，它周圍的磁場變化會影響另一個線圈，並在另一個線圈的兩端產生電壓，如果這個線圈是閉合的，將有電流流過這個線圈，這種兩個電感線圈靠近時相互影響的現象稱為“互感”。
我們所說的電感器簡稱為“電感”，是指在電路中能產生自感或互感作用的元件，電路中的電感器通常是由一段導線繞製在空心骨架或磁性材料上構成的，其外觀如圖1-11所示，在電路圖中的表示符號如圖1-12所示。
電感器在電路中的應用十分靈活，既可以對交流信號進行隔離，實現濾波的作用；又可以與電容器、電阻器等組成諧振電路，產生振蕩信號；還可以將電能轉化為磁能，用於電壓轉換。電感器的單位主要用於標稱其電感量，也稱作“自感係數”。電感量的單位是亨利，簡稱“亨”，用字母“H”表示。亨利同樣也是一個較大的單位，常用的單位有毫亨（mH）和微亨（μH）等，它們之間的換算關係如下：
1H = 103mH = 106μH
1.2.5 繼電器
繼電器也是基於電磁感應的原理製成的，是一種用小電流控製大電流的電子器件。繼電器的內部結構原理如圖1-13所示。繼電器的核心部分是一個電磁鐵（圖中A、B兩點之間的部分），在電流的作用下，電磁鐵會吸引設置在它作用範圍內的銜鐵（圖中與C點相連的部分），銜鐵帶動與之相連的開關打開或閉合（圖中C、D、E三點間的部分），從而控製另外一個電路的通斷。
繼電器的實物外形如圖1-14所示，在電路中的表示符號如圖1-15所示。
1.2.6 蜂鳴器
蜂鳴器是一種會發出聲音的電子器件，家用的電磁爐在按鍵時會發出“嗶嗶”的聲音，就是因為其內部安裝有蜂鳴器。蜂鳴器的原理與繼電器類似，通電的電磁鐵吸引振膜振蕩產生音頻信號，從而發出聲音。
常用的蜂鳴器分為兩種：一種是有源蜂鳴器，它內部設有振蕩電路，在它的兩個引腳上接上電壓就會發出固定頻率的聲音；另一種是無源蜂鳴器，內部無振蕩電路，接上電源後不會發聲，使用時需要用不同頻率的方波信號來驅動它發聲。
蜂鳴器的引腳是有極性的，引腳較長的是正極，另一個較短的為負極，使用時要注意區分。另外，源蜂鳴器的頂端有一個貼紙，用於保護內部振蕩電路不會因製造環節的清洗過程而損壞，正常使用時需要將貼紙揭掉。蜂鳴器的實物外形如圖1-16所示，在電路中的表示符號如圖1-17所示。
1.2.7 晶體振蕩器
使用電阻和電容搭建一個正反饋的振蕩電路就可以獲取時鍾信號，通過改變電阻或電容的值還可以調節時鍾信號的頻率，這種由RC網絡構成的振蕩電路在電子管時代有著廣泛的應用。由RC網絡構成的振蕩電路的優點是起振快，加電後立即可以輸出滿幅的振蕩信號，但它也有缺點，即當外界溫度變化時，阻容元件的值也會發生變化，從而引起振蕩頻率的漂移。
後期發現了陶瓷的壓電效應，一個兩麵覆蓋電極的陶瓷片在外加電場的作用下，自身會發生形變而產生振蕩，當振蕩達到自身的共振頻率時，即可進入穩定的諧振狀態，輸出固定頻率的振蕩信號。陶瓷諧振器的優點是起振快、不怕過激勵，但頻率穩定性和精度稍差。
人們對高穩定時鍾信號的追求一直都沒有停止。當一個石英晶體受到激勵後，會產生穩定性極高的時鍾。利用這一特性，將一小片經過仔細研磨的石英片兩端用引線引出，外麵加上屏蔽罩，即可製成石英晶體振蕩器，簡稱“晶振”。
石英晶體振蕩器不會自己振蕩，它要有外部的電路配合才能起振，一旦開始振蕩，就會穩定地保持在某一固定的頻率上，一般商業用的晶振頻率誤差都在百萬分之一百以內，可見其頻率穩定性極高。利用晶體振蕩器，可以製作成精度很高的電子計時器，我們常用的石英鍾也是因為其內部有石英晶體而得名。石英晶體振蕩器的實物外觀如圖1-18所示，在電路中的表示方法如圖1-19所示。
晶體振蕩器的振蕩頻率一般是在產品上用數字的形式直接標出，如12M、11.0592M、32.786k等。盡管晶體振蕩器具有時鍾穩定性高的優點，但它也有缺點。首先，晶體振蕩器的起振是一個漸進的過程，需要經過一段時間才能輸出穩定且滿幅的振蕩信號，這給在係統加電後就立即需要穩定時鍾的應用帶來了不便；其次，晶體振蕩器在受到強烈撞擊或電壓衝擊時，石英晶體會因物理結構的改變而損壞，所以在使用時需要考慮產品的抗震性。
本章回顧
本章主要介紹的是電路中電壓、電阻和電流三個常用物理量的單位及換算關係，以及電路中最基本的元器件的識別及符號標識，這些知識是我們步入電子世界的基礎，對於那些隻會做難題，卻不知電阻是何物的“學霸們”也是必補的一課，加油！
最後更新：2017-05-23 17:02:41